微項目青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測定-晶體在分子結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用學(xué)案（含答案）

微項目:青蒿素分子的結(jié)構(gòu)測定——晶體在分子結(jié)構(gòu)測定中的應(yīng)用【學(xué)習(xí)目標】1.了解測定分子結(jié)構(gòu)的一般思路與方法,認識晶體對于分子結(jié)構(gòu)測定的獨特意義。2.知道利用晶體X射線衍射能夠測定原子坐標進而確定分子的空間結(jié)構(gòu),是測定分子結(jié)構(gòu)的重要手段。3.體會分子結(jié)構(gòu)測定對于建立與優(yōu)化物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論模型,認識、解釋和預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)具有重要價值?！咀灾黝A(yù)習(xí)】1.測定分子結(jié)構(gòu)及組成的方法(1)質(zhì)譜法:用電場和磁場將運動的離子(帶電荷的原子、分子或分子碎片,有分子離子、同位素離子、碎片離子、重排離子、多電荷離子、亞穩(wěn)離子、負離子和離子-分子相互作用產(chǎn)生的離子)按它們的質(zhì)荷比分離后進行檢測的方法。可以進行相對分子質(zhì)量的測定、化學(xué)式的確定及結(jié)構(gòu)鑒定等。(2)紅外光譜法:將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄就得到該試樣的紅外吸收光譜圖,利用光譜圖中吸收峰的波長、強度和形狀來判斷分子中的基團,對分子進行結(jié)構(gòu)分析。(3)核磁共振譜法:NMR是研究原子核對射頻輻射的吸收,它是對各種有機物和無機物的成分、結(jié)構(gòu)進行定性分析的最強有力的工具之一,有時亦可進行定量分析。(4)X射線衍射法:使用X射線探測某些分子或晶體結(jié)構(gòu)的科研方法。2.分子空間結(jié)構(gòu)的測定程序分析圖像→測定晶胞參數(shù)→推算原子坐標→計算原子距離→判斷化學(xué)鍵及其類型→確定分子結(jié)構(gòu)3.借助晶體X射線衍射測定分子結(jié)構(gòu)的基本思路【合作探究】項目活動1了解利用晶體測定分子結(jié)構(gòu)的意義情境導(dǎo)入我國研究人員從1973年初開始測定青蒿素的組成與結(jié)構(gòu)。首先,研究人員利用高分辨質(zhì)譜儀測定出青蒿素的相對分子質(zhì)量為282.33。結(jié)合元素分析,確定其分子式為C15H22O5。然后,研究人員經(jīng)過一系列復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)實驗,推測青蒿素具有含過氧基團的倍半萜內(nèi)酯結(jié)構(gòu)。紅外光譜實驗結(jié)果表明,青蒿素分子中確實含有酯基和過氧基團。結(jié)合核磁共振氫譜圖提供的關(guān)于碳、氫原子的種類和數(shù)量的信息,研究人員推定了青蒿素中甲基、過氧基團、帶有酯基的六元環(huán)等部分結(jié)構(gòu)片段。然而,單純依靠這些研究方法還不能精確判斷青蒿素分子中所有碳原子和氧原子以何種方式連接形成骨架。1975年,研究人員采用晶體X射線衍射的方法,確定了青蒿素的分子結(jié)構(gòu)。問題生成1.假設(shè)一個實驗樣品尺寸的數(shù)量級為10-4m,原子直徑的數(shù)量級為10-10m,請估算這個實驗樣品中的原子數(shù)目?！敬鸢浮烤О话闶橇⒎襟w,原子為球體,忽略原子間隙,則該樣品中的原子數(shù)目約為(10-4)343π×(2.上述材料中用到了哪些方法測定青蒿素分子的組成和結(jié)構(gòu)?這些方法主要有什么用途?【答案】探究青蒿素分子組成和結(jié)構(gòu)的過程中,科研人員使用的測定方法:測定方法獲得的分子組成和結(jié)構(gòu)的信息質(zhì)譜儀測定出青蒿素的相對分子質(zhì)量為282.33元素分析確定其分子式為C15H22O5復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)實驗推測青蒿素具有過氧基團的倍半萜結(jié)構(gòu)紅外光譜確實含有酯基和過氧基團核磁共振譜圖推斷出青蒿素中甲基、過氧基團、帶有酯基的六元環(huán)等部分結(jié)構(gòu)片段晶體X射線衍射推斷所有碳原子和氧原子的連接方式,確定了青蒿素的分子結(jié)構(gòu)3.測定青蒿素分子中各原子空間排列方式時,科研人員遇到了什么困難?為什么用一般的方法無法精確地測定青蒿素的分子結(jié)構(gòu)?【答案】不論是常規(guī)的化學(xué)實驗方法,還是質(zhì)譜、紅外光譜等儀器測定的手段,都只能幫助我們了解分子的官能團等結(jié)構(gòu)特點,并借此推測分子的結(jié)構(gòu),但對于所含原子數(shù)較多的分子來說,難以對其空間結(jié)構(gòu)進行精確推測。4.晶體的X射線衍射法對測定分子空間結(jié)構(gòu)有什么重要意義?【答案】利用數(shù)學(xué)和物理知識對衍射所得圖像進行復(fù)雜處理,可以測定晶體的晶胞參數(shù),推算得到晶胞中所有原子的坐標,從而計算出原子間的距離,判斷哪些原子間存在化學(xué)鍵以及化學(xué)鍵的類型,確定分子的空間結(jié)構(gòu)?！具w移應(yīng)用】1.下列可用于判斷某物質(zhì)為晶體的方法是()。A.質(zhì)譜法 B.紅外光譜法C.核磁共振譜法 D.X射線衍射法【答案】D【解析】質(zhì)譜法用于測定有機物的相對分子質(zhì)量,不能判斷某物質(zhì)是否為晶體;紅外光譜儀能測定出有機物的官能團和化學(xué)鍵,不能判斷某物質(zhì)是否為晶體;核磁共振氫譜法用于測定有機物分子中碳氫原子的種類和數(shù)目比,不能判斷某物質(zhì)是否為晶體;晶體與非晶體最本質(zhì)的區(qū)別是組成物質(zhì)的微粒在微觀空間是否有序排列,X射線衍射可以測定微觀結(jié)構(gòu),可以鑒別晶體與非晶體。2.我國藥學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)植物黃花蒿葉中含抗瘧疾的物質(zhì)青蒿素而榮獲2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎?？茖W(xué)家對青蒿素的結(jié)構(gòu)進行進一步改良,合成藥效更佳的雙氫青蒿素、蒿甲醚。下列說法錯誤的是()。A.利用黃花蒿葉研究青蒿素結(jié)構(gòu)的基本步驟為分離、提純→元素分析確定實驗式→測定相對分子質(zhì)量確定分子式→波譜分析確定結(jié)構(gòu)式B.①②的反應(yīng)類型分別為還原反應(yīng)、取代反應(yīng)C.雙氫青蒿素在水中的溶解度大于青蒿素D.可用質(zhì)譜法確定分子中含有哪些官能團【答案】D【解析】研究有機物的一般思路:先分離、提純,然后根據(jù)元素定量分析確定實驗式,測定相對分子質(zhì)量確定分子式,最后通過波譜分析確定結(jié)構(gòu)式,A項正確;反應(yīng)①中CO變成C—O,為還原反應(yīng),反應(yīng)②中醇羥基變?yōu)槊焰I,為取代反應(yīng),B項正確;雙氫青蒿素分子中含有羥基,可與水分子形成氫鍵,在水中的溶解度較大,C項正確;質(zhì)譜法可以確定有機物的相對分子質(zhì)量,確定分子中含有哪些官能團應(yīng)該采用紅外光譜法,D項錯誤。項目活動2借助原子位置確定分子空間結(jié)構(gòu)情境導(dǎo)入通過X射線衍射可以確定每個原子的位置,分析原子間的化學(xué)鍵類型和連接方式,勾勒出一個完整的分子結(jié)構(gòu)。問題生成1.借助晶體X射線衍射測定分子結(jié)構(gòu)的基本思路如何?【答案】推斷過程測定分子結(jié)構(gòu)的基本思路確定晶胞參數(shù)借助青蒿素晶體X射線衍射的實驗結(jié)果,依據(jù)晶體的周期性特征,通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法處理得出,青蒿素晶體的晶胞是長方體,并得到相關(guān)參數(shù)識別原子位置計算得到青蒿素晶胞中各處的電子云密度,根據(jù)電子云密度的大小判斷晶胞中原子種類建立原子坐標以一個頂點為坐標原點,a、b、c為坐標軸的單位建立坐標系,得到用(x,y,z)表示的碳、氧原子的原子坐標。x、y、z均為分數(shù),表示該原子在晶胞中相對位置確定分子骨架計算原子間距離,推斷哪些原子間可以形成化學(xué)鍵以及形成什么類型的共價鍵(單鍵、雙鍵、三鍵)獲得完整結(jié)構(gòu)借助碳原子和氧原子的成鍵規(guī)律找出碳、氧原子連接氫原子的數(shù)目,借助碳、氧原子的空間結(jié)構(gòu)特點及碳氫鍵的鍵長等,找到氫原子的位置2.借助晶體X射線衍射測定原子坐標,從中可以得到哪些重要數(shù)據(jù)?【答案】可以得到分子的結(jié)構(gòu),獲得鍵長、鍵角等反映結(jié)構(gòu)特點的重要數(shù)據(jù)。3.結(jié)構(gòu)參數(shù)有什么作用?【答案】單鍵、雙鍵、三鍵等價鍵模型的完善,雜化軌道、分子軌道等理論模型的建立,都離不開結(jié)構(gòu)參數(shù)的支持。4.現(xiàn)代化學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為實驗與理論并重的自然科學(xué),體現(xiàn)在何處?【答案】一方面,實驗手段不斷升級優(yōu)化,出現(xiàn)了各種分析和測定物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的實驗技術(shù),推動了化學(xué)的發(fā)展;另一方面,基于計算機支持的理論化學(xué)與計算化學(xué)的發(fā)展,推動人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究進入一個新的時代。【核心歸納】【遷移應(yīng)用】1.青蒿素結(jié)構(gòu)簡式如圖,下列有關(guān)敘述正確的是()。A.青蒿素極易溶于水B.1mol青蒿素與足量NaOH溶液反應(yīng)最多消耗4molNaOHC.青蒿素含有過氧鍵,有較強氧化性D.青蒿素分子式為C15H21O5【答案】C【解析】根據(jù)青蒿素的結(jié)構(gòu)簡式可知,該有機物含有酯基、醚鍵,所以青蒿素難溶于水,易溶于有機溶劑,A項錯誤;該分子中含有一個酯基,所以1mol青蒿素與足量NaOH溶液反應(yīng)最多消耗1molNaOH,B項錯誤;青蒿素含有過氧鍵,有較強氧化性,C項正確;根據(jù)青蒿素的結(jié)構(gòu)簡式可知,青蒿素分子式為C15H22O5,D項錯誤。2.某研究團隊成功合成了能在室溫穩(wěn)定存在的五氮陰離子鹽(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl,經(jīng)X射線衍射測得晶體結(jié)構(gòu),其局部結(jié)構(gòu)如圖所示(其中N5-的立體結(jié)構(gòu)是平面五元環(huán))。下列說法正確的是(A.所有N原子的價電子層均有孤電子對B.氮氮鍵的鍵能:N5->H2C.兩種陽離子是等電子體D.陰、陽離子之間只存在離子鍵【答案】B【解析】NH4+中N原子形成4個σ鍵,沒有孤電子對,故A項錯誤;N5-中氮原子間除形成σ鍵外,還形成一個大π鍵,氮氮鍵的鍵能:N5->H2N—NH2,故B項正確;H3O+和NH4+原子總數(shù)不同,不是等電子體,故C項錯誤;由圖可知,除陰、陽離子間形成離子鍵外,氯離子與銨根離子中H原子、H3O+中H原子與N5-中N原子、NH43.用晶體X射線衍射法對Cu的測定得到以下結(jié)果:Cu的晶胞為面心立方最密堆積(如圖),已知該晶體的密度為9.00g·cm-3,晶胞中該原子的配位數(shù)為;Cu的原子半徑為cm(阿伏加德羅常數(shù)為NA,列出計算表達式,不用化簡)。

【答案】1224×【解析】根據(jù)該晶胞示意圖,該晶胞為面心立方,配位數(shù)為12;設(shè)晶胞的棱長為acm,則a3·ρ·NA=4×64,a=34×64ρ·NA,面對角線為2acm,面對角線的14為Cu原子半徑r,4.歷史上對過氧化氫的分子結(jié)構(gòu)有過不同觀點,下圖兩種對結(jié)構(gòu)的猜測中有一種正確,下列實驗可以證明的是()。A.測定過氧化氫的沸點B.測定過氧化氫分解時吸收的能量C.測定過氧化氫分子中的氫氧鍵與氧氧鍵的鍵長D.觀察過氧化氫細液流在電場中是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)【答案】D【解析】題圖所示兩種結(jié)構(gòu),猜想1為對稱結(jié)構(gòu)非極性分子,猜想2為非對稱結(jié)構(gòu)極性分子,極性分子細液流在電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn),觀察過氧化氫細液流在電場中是否發(fā)生偏轉(zhuǎn),可確定猜測中有一種正確。5.我國科學(xué)家屠呦呦因創(chuàng)制新型抗瘧藥青蒿素和雙氫青蒿素而獲得2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。下列關(guān)于青蒿素和雙氫青蒿素(結(jié)構(gòu)如圖)的說法錯誤的是()。A.青蒿素的分子式為C15H22O5B.由青蒿素制備雙氫青蒿素的反應(yīng)屬于還原反應(yīng)C.青蒿素分子中含有過氧鍵和酯基、醚鍵D.雙氫青蒿素分子中有2個六元環(huán)和2個七元環(huán)【答案】D【解析】由結(jié)構(gòu)簡式可知青蒿素的分子式為C15H22O5,故A項正確;青蒿素與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)生成雙氫青蒿素,屬于還原反應(yīng),故B項正確;由結(jié)構(gòu)簡式可知青蒿素分子中含有過氧鍵和酯基、醚鍵,故C項正確;由結(jié)構(gòu)可知,青蒿素和雙氫青蒿素均含有3個六元環(huán),故D項錯誤。6.我國科學(xué)家屠呦呦因發(fā)現(xiàn)青蒿素(一種用于治療瘧疾的藥物)而獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。青蒿素(C15H22O5)的結(jié)構(gòu)如圖所示。請回答下列問題:(1)組成青蒿素的三種元素電負性由大到小的順序是,基態(tài)O原子核外存在對自旋方向相反的電子。

(2)下列關(guān)于青蒿素的說法正確的是(填字母)。

a.青蒿素中既存在極性鍵又存在非極性鍵b.在青蒿素分子中,所有碳原子均處于同一平面c.圖中數(shù)字標識的五個碳原子均只以σ鍵與其他原子相連(3)在確定青蒿素結(jié)構(gòu)的過程中,可采用NaBH4作為還原劑,其制備方法為4NaH+B(OCH3)3NaBH4+3CH3ONa。①NaH為晶體,NaH的晶胞結(jié)構(gòu)如圖,則NaH晶體的配位數(shù)是,若晶胞棱長為a,則Na原子間最小核間距為。

②B(OCH3)3中B采用的雜化類型是。寫出兩個與B(OCH3)3具有相同空間結(jié)構(gòu)的分子或離子:。

③NaBH4結(jié)構(gòu)如圖所示,結(jié)構(gòu)中存在的作用力有。

【答案】(1)O>C>H3(2)a(3)①離子622a②sp2SO3、CO32-【解析】(1)組成青蒿素的三種元素為H、C、O,根據(jù)元素的非金屬性越強,電負性越強可知,非金屬性:O>C>H,則H、C、O三種元素的電負性由大到小的順序是O>C>H;在基態(tài)O原子中,核外有8個電子,其中有3個軌道有成對電子,則核外