1、第二单元 科学家怎样研究有机物,认识有机化合物,科学家怎样研究有机物,一、有机化合物组成的研究,二、有机化合物结构的研究,三、有机化学反应 的 研 究,有机物的概念及特点,概念： 有机物都含有碳元素，绝大多数含有氢元素，还有部分含氧元素，氮元素和卤素等等的化合物。,特点：1、易溶于非极性溶剂，难溶于水2、易燃烧3、熔沸点低4、热稳定性差，受热易分解5、反应速率慢，副反应多，且反应往往是可逆反应,（一）有机物组成元素的判断,有机化合物组成的研究,1、燃烧法：（若产物只有CO2和H2O ，其组成元素肯定有C、H 可能有O。）欲判断该有机物中是否含氧元素：设有机物燃烧后CO2中碳元素的质量为m(C)
2、，H2O中氢元素质量为m(H)。若m(有机物)m(C)m(H)有机物中含有氧元素m(有机物)m(C)m(H)有机物中不含氧元素,（一）有机物组成元素的判断,、钠融法：确定含有、l、r、等元素,、铜丝燃烧法：确定含有卤素火焰为绿色,、元素分析仪,（二）有机物分子式的确定,1.直接法（物质的量法）,直接求算出1mol有机物中各元素原子的物质的量，即可确定分子式。,2.最简式法：最简式又称实验式，指有机物中所含元素原子个数的最简整数比。与分子式在数值上相差n倍,根据有机物中各元素的质量分数（或元素的质量比），求出该有机物的最简式，再根据其相对分子质量求n的值，即可确定分子式。,如烃的最简式的求法为:
3、,例1、实验测得某碳氢化合物A中含碳80%，含氢20%，又测得该化合物相对分子质量。求该化合物的最简式和分子式。,所以最简式为CaHb,则分子式为(CaHb)n, n=M / (12a+b) (M为烃的相对分子质量,12a+b为最简式的式量),有机化合物组成的研究,元素的确定，质量分数的确定最简式,最简式,有机物所含各元素原子的个数最简整数比,例：某含氧有机物，当有13.8g在氧气中完全燃烧后，测得生成水16.2g，二氧化碳26.4g. 求其最简式和氧元素的质量分数,C2H6O,有机化合物结构的研究,若上题中物质的物质的量为0.3 mol,该物质的分子式为（ ）,？,？,根据你以前的知识你推测
4、下，它可能是什么物质,乙醚 或 乙醇,C2H6O,二、有机化合物结构的研究,德国化学家李比希（18031873）,1832年和维勒合作提出“基团论”：有机化合物由“基”组成，这类稳定的“基”是有机化合物的基础。1838年李比希还提出了“基”的定义,有机化合物结构的研究,阅读关于李比希的化学史话。,、原子间主要通过共价键结合,、基团（官能团）,羟基、 醛基、 羧基、 3氨基、 烃基、 3甲基、 23乙基、65苯基、O2硝基等,二、有机化合物结构的研究,不同的基团具有不同的结构和性质特点。那如何确定有机化合物的结构呢？用什么方法呢？,练习：指出下列物质中存在的基团CH3OH CH3CH2OH CH
5、3CHOCH3COOH CH3COOCH2CH3 H2SO4 NaOH,H2SO4 NaOH,二、有机化合物结构的研究,、原子间主要通过共价键结合,、基团（官能团）,、结构分析法, 核磁共振氢谱,氢原子种类不同（所处的化学环境不同）,特征峰 也不同, 红外光谱,有机化合物结构的研究,1、 核磁共振谱（1H-NMR）：有机分子中的氢原子核所处的化学环境不同（附近的基团不同），表现的核磁性不同，代表何磁性的特征的峰在谱图中的位置不同。,请分析乙醇中有几种化学环境不同的氢原子。,分子式为C2H60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
6、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,对于CH3CH2OH、CH3OCH3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。 引导学生自己分析、观察核磁共振氢谱的谱图，然后与其它同学交流如何根据核磁共振氢谱确定有机物的结构。 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。,例2一个有机物的分子量为70,红外光谱表征到碳碳双键和CO的存在，核磁共振氢谱列如下图：,写出该有机
7、物的分子式： 写出该有机物的可能的结构简式：,C4H6O,CH3- CH=CH CHO 或CH2=CH-CH2-CHO,练习22002年诺贝尔化学奖表彰了两项成果，其中一项是瑞士科学家库尔特维特里希发明了“利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。在化学上经常使用的是氢核磁共振谱，它是根据不同化学环境的氢原子在氢核磁共振谱中给出的信号不同来确定有机物分子中的不同的氢原子。下列有机物分子在核磁共振氢谱中只给出一种信号的是 A HCHO B CH3OH C HCOOH D CH3COOCH3,练习3 分子式为C3H6O2的二元混合物，如果在核磁共振氢谱上观察到氢原子给出的峰有两种情况。
8、第一种情况峰给出的强度为11；第二种情况峰给出的强度为321。由此推断混合物的组成可能是（写结构简式） 。,C3H6O2可能的结构为 CH3CH2COOH CH3COOCH3 HCOOCH2CH3,氢谱峰值类型 3:2:1 1:1 1:2:3,或,拓展视野,2.红外光谱的应用原理,在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振 动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，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盘或官能 团的信息。,乙醇红外光谱图,质谱分析法是一
9、种通过测量化学物质分子或分子碎片的质量进行分析的方法，所用的仪器称为质谱仪，所得的谱图称为质谱图。由于质谱法能够提供被测物质分子或分子碎片的质量信息，所以它不但能够给出被测物质的相对分子质量，还通过分子碎片的质量信息，推测分子的结构。,拓展视野 历史上许多科学家因在物质结构分析方面的突出贡献而获得诺贝尔化学奖。2002年诺贝尔化学奖授予了美国科学家芬恩(JBFenn)、日本科学家田中耕一(Koichi Tanaka)和瑞士科学家维特里希(KWuthrich)，以表彰他们发明对生物大分子进行识别和结构分析方法所作出的巨大成就。“看清”DNA、蛋白质等生物大分子的真面目曾经是科学家们的梦想，如今这
10、一梦想已成为现实。芬恩和田中耕一发明了“对生物大分子的质谱分析法”；维特里希发明了“利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。前一项成果解决了“看清”生物大分子是“谁”的问题，后一项成果则解决了“看清”生物大分子是“什么样子”的问题。这些分析方法可对溶液中的蛋白质进行分析，因而能对活细胞中的蛋白质进行分析，获得“活”蛋白质的结构。1985年，科学家利用这种方法第一次绘制出蛋白质的结构图。自人类基因组图、水稻基因组草图以及其他一些生物基因组图成功绘制后，生命科学和生物技术已进入后基因组时代。这一时代的重点课题是研究蛋白质的结构和功能，破译基因怎样控制和合成蛋白质，蛋白质又是如何发挥生
11、理作用等。在这些课题中，判定生物大分子的“身份”，“看清”它们的结构非常重要。因此，三位诺贝尔化学奖得主发明的分析方法，对生物化学的发展将发挥重要作用。,手性分子 在化学物质的“海洋“中，是否存在分子组成和原子连接方式完全相同的两种分子，由于分子中的原子在空间排列 j不同，而互为同分异构体?是否存在两种分子，它们犹如一个人的左右手，其中一只手只有在镜像中才能与另一只手完全重叠?,研究发现，在丙氨酸( )分子中有1个碳原子分别连有4个不同的原子或原子团(-H、-CH3、-NH2、-COOH)，当这4个原子或原子团以不同的空间排列方式与该碳原子相连时，就会得到如图11 4所示的两种分子，分别命名为
12、D-丙氨酸和L-丙氨酸。这两种分子犹如人的左右手，它们互为镜像且不能重叠。我们把像D-丙氨酸和L-丙氨酸分子这样，分子不能与其镜像重叠者，称为手性分子(chiral molecule)；两个互为镜像且不能重叠的异构体称为对映异构体(enantiomer)；与4个不同的原子或原子团相连的碳原子称为手性碳原子(chiral carbon atom)。,手性分子丙氨酸的结构模型,左右手的镜像关系,资料卡,这些物质还具有神奇的光学特性。当一束偏振光通过它们时，光的偏振方向将被旋转，被旋转的角度称旋光度。 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。
13、,用于测手性化合物旋光性的偏振计及其原理,拓展视野,诺贝尔化学奖与逆合成分析理论,科里(Elias James Corey)，美国有机化学家，生于1928年7月12日， 科里从20世纪50年代后期开始从事有机合成的研究工作，30多年来他和 他的同事们共同合成了几百个重要天然化合物。这些天然化合物的结构 都比较复杂，合成难度很大。1967年他提出了具有严格逻辑性的“逆合成 分析原理”，以及合成过程中的有关原则和方法。他建议采取逆行的方式， 从目标物开始，往回推导，每回推一步都可能有好几种断裂键的方式， 仔细分析并比较优劣，挑其可行而优者，然後继续往回推导至简单而易 得的原料为止。按照这样的方式，
14、一个有机合成化学家就不需要漫无边 际的冥想，而不知从何着手了，因为他的起点其实就是他的终点。科里还 开创了运用计算机技术进行有机合成设计。这实际上是使他的“逆合成分 析原理”及有关原则、方法数字化。由于科里提出有机合成的“逆合成分析 方法”并成功地合成50多种药剂和百余种天然化合物，对有机合成有重大 贡献，而获得1990年诺贝尔化学奖。,链的引发 Cl2 2Cl 链的增长 CH4+ClCH3+HCl CH3+Cl2CH3Cl+Cl CH3Cl+ClCH2Cl+HCl CH2Cl+Cl2CH2Cl2+Cl CH2Cl2+ClCHCl2+HCl CHCl2+Cl2CHCl3+Cl CHCl3+Cl
15、 CCl3+HCl CCl3+Cl2CCl4+Cl 链的终止 2ClCl2 2CH3CH3CH3 Cl + CH3CH3Cl 由自由基反应的过程，就可推知在甲烷与氯气的取代反应中不会有H2生成。,三、有机化学反应的研究,三、有机化学反应的研究,问题解决,酯化反应的反应机理,酯的水解反应机理,拓展视野,诺贝尔化学奖与同位素示踪法,海维西(GeorgeHevesy)，匈牙利化学家，1885年8月1日生于布达佩斯。 海维西曾就读于柏林大学和弗赖堡大学。1911年在曼彻斯特大学E卢瑟福 教授的指导下研究镭的化学分离，为他日后研究放射性同位素作示踪物打 下了基础。海维西主要从事稀土化学、放射化学和X射线
16、分析方面的研究。 他与F，帕内特合作，在示踪研究上取得成功。1920年，海维西与科斯特 合作，按照玻尔的建议在锆矿石中发现了铪。1926年海维西任弗赖堡大学 教授，开始计算化学元素的相对丰度。1934年在制备一种磷的放射性同位 素之后，进行磷在身体内的示踪，以研究各生理过程，这项研究揭示了身 体成分的动态。1943年，海维西任斯德哥尔摩有机化学研究所教授。同年， 他研究同位素示踪技术，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。1945年后海维西人瑞典国籍。海维西发表的主要专著是 放射性同位素探索。海维西于1966年7月5日在德国去世，享年81岁。,拓展视野,诺贝尔化学奖与不对称合成,2001年度诺贝尔化学奖授予给三位科学家，他们分别是 美国科学家诺尔斯、日本科学家野依良治及美国科学家夏普 雷斯。得奖理由：在手性催氢化反应研究方面做出卓越贡献,
