选修有机化学基础苏教版1.2科学家怎样研究有机物优秀教学课件

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SMART CHEMISTRY

第二单元 科学家怎样研究有机物

专题1 认识有机化合物

青蒿素

疟疾的克星

紫杉醇

抗癌明星

黄花蒿

红豆杉

广西虎杖

白藜芦醇

抗氧化抗癌试剂

药品的原料仅仅是其中一部分，另外还有辅料，两个合在一起才称为药品

药用辅料到底有多重要？提高药物疗效、降低不良反应

你知道吗

国家药典委员会规定在注射剂中可添加16种常用有机辅料。如果现在需要你分析测出该注射液中添加的有机辅料是不是16种常规辅料之一？你首先应该做什么？

咱们的任务

原料

辅料

假设现有一瓶注射液，其中主要含有的某药效成分物和未知有机辅料的性质如表，据此，将未知有机辅料分离提纯的最佳方法是

药物主要成分

熔点（℃）

沸点（℃）

密度（g/cm3）

溶解性

原料

80.0

244.4

0.859

几乎不溶于水，易溶于醇、醚

辅料

-87.9

82.4

0.786

易溶于水，醇、醚等有机溶剂

分离

提纯

分离

提纯

确定

结构

确定

组成

当得到纯净有机物时，还需要知道哪些信息可以帮助我们确定它的结构是什么？

C47H51NO14

尤斯图斯·冯·李比希

（Justus von Liebig，

1803-1873）

有机物燃烧分析法——李比希法

有机物的元素定量分析最早由德国人李比希提出。

他用CuO作氧化剂将仅含有C、H、O元素的有机物氧化，产生的H2O用无水CaCl2吸收，CO2用KOH浓溶液吸收。分别称出吸收前后吸收剂的质量，计算出碳、氢原子在分子中的含量，剩余的就是氧原子的含量。

燃烧此未知有机辅料6. 0g，生成6.72L（标准状况）CO2 和7.2gH2O 。根据这些数据能否确定该有机物辅料的分子式？

首先要确定该物质的组成元素。

6.0g 有机物中各元素的质量：

6.72L

3.6g

0.8g

3.6g

0.8g

4.4g

6.0g

所以有机物中还含有O元素。

其它常见的元素测定方法

① 钠融法可定性确定有机物中是否存在N、Cl、Br、S等元素

②铜丝燃烧法可定性确定有机物中是否存在卤素

现代元素分析仪

样品经过研磨后，经自动进样器进入燃烧反应管中，向系统中通入纯氧以帮助有机样品燃烧，燃烧后经进一步催化氧化还原过程，其中的有机元素碳C、氢H、氮N、硫S和氧O， 全部转化为各种可检测气体。 混合气体经分离色谱柱进一步分离， 最后通过TCD热导检测器完成检测检测过程。

分离

提纯

实验式

元素分析测定得知该有机辅料各元素质量分数为：

C ：60.00%

H ：13.33%

O ：26.67%

C3H8O

分子式

实验式

（C3H8O）n

相对分子质量

若在同温同压下，测得该有机辅料蒸汽的密度是氢气密度的30倍。

分离

提纯

实验式

C3H8O

C3H8O

推测分子式符合

可能的结构简式？

实验式

分子式

结构式

分子式

CH3CHCH3

OH

CH3CH2CH2OH

CH3OCH2CH3

如何确定官能团的种类和官能团所处位置？

二、有机化合物结构的研究

李比希和维勒合作提出“基团论”。

不同的基团有不同的结构和性质

羟基-OH 醛基-CHO

羧基-COOH 氨基-NH2

烃基-R

例题：

有机化合物中不含有

的基团是 （ ）

A.醛基 B.羧基 C.羟基 D.烃基

分离

提纯

实验式

分子式

结构式

C ：60.00%

H ：13.33%

O ：26.67%

45

43

O-H

C-H

C-O

质谱仪

它是用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变成带正电荷的分子离子和碎片离子。这些不同离子具有不同的质量，质量不同的离子在磁场作用下达到检测器的时间有差异，其结果被记录为质谱图。

【思考与交流】

观察谱图，并进行思考，然后进行交流。

1、质荷比是什么？

2、如何确定有机物的相对分子质量？

相对丰度

乙醇的质谱

测定相对分子质量的方法很多， 质谱法是最精确、最快捷的方法。

1、相对分子质量的确定——质谱法

有机物分子

高能电子束轰击

带电的

”碎片”

确定结构

碎片的质荷比

质荷比：碎片的相对质量（m）和所带电荷（e）的比值

质谱仪

45

46

CH3CH2

CH2=OH

CH3CH=OH

CH3CH2OH

质荷比

相对丰度/%

某有机物A的质谱图：

乙醇的质谱图

最大分子离子的质荷比越大，达到检测器需要的时间越长，因此谱图中的质荷比最大的就是未知物的相对分子质量。

45

43

质荷比

相对丰度

若此未知有机溶剂的质谱图如左图，读图判断此未知有机溶剂的相对分子质量。

分离

提纯

实验式

分子式

分子式

例．2002年诺贝尔化学奖获得者的贡献之一是发明了对有机物分子进行结构分析的质谱法。其方法是让极少量的（10－9g）化合物通过质谱仪的离子化室使样品分子大量离子化，少量分子碎裂成更小的离子。如C2H6离子化后可得到C2H6＋、C2H5＋、C2H4＋……，然后测定其质荷比。设H＋的质荷比为β，某有机物样品的质荷比如右图所示（假设离子均带一个单位正电荷，信号强度与该离子的多少有关），则该有机物可能是（ ）

A 甲醇 B 甲烷 C 丙烷 D 乙烯

红外光谱

组成有机物的化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。当用红外线照射有机物分子时，不同的化学键、官能团对红外光的吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。

红外（IR）主要用于判断化合物官能团的种类和化学键的类型

2、红外光谱的应用原理

当用红外线照射有机物时，分子中的化学健或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同位置，从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。

红外光谱仪

[例1]下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱谱图，则该有机物的结构简式为：

C—O—C

C=O

不对称CH3

CH3CH2COOCH3或CH3COOCH2CH3

[练习1]有一有机物的相对分子质量为74，确定分子结构，请写出该分子的结构简式 　　 　　 　　

C—O—C

对称CH3

对称CH2

CH3CH2OCH2CH3

O-H

C-H

C-O

CH3CHCH3

OH

CH3CH2CH2OH

CH3OCH2CH3

核磁共振氢谱

氢原子核有磁性，用电磁波照射能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。不同化学环境的氢原子（等效氢原子）因产生共振时吸收的频率（化学位移）不同。

氢原子的类型

氢原子个数比

吸收峰面积（高度）比

吸收峰数目

核磁共振仪

分子式为C2H6o的两种有机化合物的1H核磁共振谱图，你能分辨出哪一幅是乙醇的1H-NMR谱图吗？请与同学交流你作出判断的理由。

分子式为C2H6O的两种有机物的1H核磁共振谱图

核磁共振氢谱

H—C—O—C—H H—C—C—O—H

H H

H H

H H

H H

例1、下图是某有机物的1H核磁共振谱图，则该有机物可能是 （ ）

A. CH3CH2OH B. CH3CH2CH2OH

C. CH3—O—CH3 D. CH3CHO

练习.下列有机物在H’-NMR上只给出一组峰的是 （ ）

A、HCHO B、CH3OH

C、HCOOH D、CH3COOCH3

问题探究：下列有机物中有几种H原子以及个数之比？

２种；９：１

１种

３种；３：２：１

４种；３：２：１：６

CH3-CH-CH3

CH3

CH3-C-CH3

CH3

CH3

CH3-CH2-CH-CH3

CH3

CH3-CH2-OH

吸收强度

化学位移 δ

CH3CHCH3

OH

CH3CH2CH2OH

通过未知有机辅料的核磁氢谱，来进一步确定其结构简式应该为？

分离

提纯

实验式

分子式

结构式

此添料是 2-丙醇（异丙醇）

C ：60.00%

H ：13.33%

O ：26.67%

45

43

O-H

C-H

C-O

CH3CHCH3

OH

国家药典委员会规定在注射剂中可添加

16种常用有机辅料

1.异丙醇；2.正丙醇；3.二甲基甲酰胺；4.乳酸乙酯；5.二甲基乙酰胺；6.二甲基亚砜；7.1，2-丙二醇；8.1，3-丁二醇；9.1，3-丙二醇；10.苯甲醇；11.二甘醇；12.肉豆寇酸异丙酯；13.三乙酸甘油酯；14.甘油；15.油酸乙酯；16.苯甲酸苄酯

此添料是

允许添加辅料

异丙醇

69

相对丰度

质荷比

吸收强度

化学位移 δ

有这样一种有机物，可用于制取选矿用发泡剂、染料及橡胶抗氧剂、杀虫剂及军用化学品，也广泛被用于有机合成中间体。根据谱图提供的信息推断此有机物的结构简式。

C=O

C=C

X-射线衍射仪

X-射线是一种很短的电磁波。它和晶体中的原子（或离子）间的相互作用，可以产生衍射图形。经过计算可以从衍射图形获得分子的空间三维结构等重要信息。

研究有机化合物的一般步骤和方法

分离

提纯

元素 分析

蒸馏、重结晶、萃取、色谱法等

确定

实验式

确定

分子式

李比希燃烧法

质谱法

分子量

现代元素仪器分析法

确定

结构式

官能团

①M=m/n

②M=M’ ×D

③ M=22.4 ×ρ

性质实验

红外光谱法

核磁法

现代仪器分析

传统实验分析

诺贝尔化学奖与物质结构分析（2002年）

引入了核磁共振光谱学观察到了DNA、蛋白质等大分子的真面目。

美国

芬恩

日本

田中耕一

瑞士

维特里希

三、手性分子

左手和右手不能重叠 左右手互为镜像

三、手性异构体和手性分子

如果一对分子，它们的组成和原子的排列方式完全相同，但如同左手和右手一样互为镜像，在三维空间里不能重叠，这对分子互称手性异构体。有手性异构体的分子称为手性分子

当四个不同的原子或基团连接在碳原子上时，形成的化合物存在手性异构体。其中，连接四个不同的原子或基团的碳原子称为手性碳原子。

手性分子丙氨酸的结构模型

丙氨酸分子

CH3-CH-COOH

NH2

手性碳原子

1．下列化合物中含有手性碳原子的是（ ）

A.CCl2F2 B.CH3—CH—COOH

C.CH3CH2OH D.CH—OH

CH2—OH

CH2—OH

OH

A.OHC—CH—CH2OH B. OHC—CH—C—Cl

C.HOOC—CH—C—C—Cl

D.CH3—CH—C—CH3

Cl

OH

Br

OH

Cl

Br

Br

CH3

CH3

2．下列化合物中含有2个“手性”碳原子的是（ ）

具有手性碳原子的物质往往具有旋光性

例如：

L-丙氨酸可使偏振光向右旋转，D-丙氨酸则可使偏振光向左旋转。镜像，不仅仅是你熟悉的一个生活现象。

用于测手性化合物旋光性的偏振计及其原理

例题

具有手性碳原子的物质往往具有旋光

性，存在对映异构体，如

等，下列化合物中存在对

映异构体的是 （ ）

A． B ．CH3CH3

C．甲烷 D．C6H5CH（CH3）OCH3

1、化学方程式与反应机理

化学方程式是一个反应的总结果，研究反应方程式就要从微观角度着手，即探讨反应机理 （又称反应历程），以甲烷的一氯取代为例：

三、有机化学反应的研究

Cl2 光照 2Cl·

·CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl·

CH4 + Cl· ·CH3 + HCl

酯化反应的反应机理

酯的水解反应机理乙酸乙酯的水解

2、反应机理的研究方法——同位素示踪法

海维西（GeorgeHevesy），匈牙利化学家。1943年，海维西研究的同位素示踪技术，推进了对生命过程的化学本质的理解而获得了诺贝尔化学奖。

1、红外光谱（知道不要求分析）

[讲述]由于有机物中组成化学键、官能团的原子处于不断振动状态，且振动频率与红外光的振动频谱相当。所以，当用红外线照射有机物分子时，分子中的化学键、官能团可发生震动吸收，不同的化学键、官能团吸收频率不同，在红外光谱图中将处于不同位置。因此，我们就可以根据红外光谱图，推知有机物含有哪些化学键、官能团，以确定有机物的结构。

限于在知道红外谱图中的化学键和官能团可以确定有机物的结构，大学有机化学将专门学习。

对于CH3CH2OH、CH3—O—CH3这两种物质来说，除了氧原子的位置、连接方式不同外，碳原子、氢原子的连接方式也不同、所处的“环境”不同，即等效碳、等效氢原子的种数不同。

明确：不同化学环境的氢原子（等效氢原子）因产生共振时吸收的频率不同，被核磁共振仪记录下来的吸收峰的面积不同。所以，可以从核磁共振谱图上推知氢原子的类型及数目。