高中化学 第五章 第一节 合成高分子化合物的基本方法.docx

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高中化学第五章第一节合成高分子化合物的基本方法

第一节　合成高分子化合物的基本方法

[学习目标定位]　1.知道并会应用有关概念：

单体、高聚物、聚合度、链节、加聚反应和缩聚反应等。

2.熟知加聚反应和缩聚反应的原理，会写相应的化学方程式，学会高聚物与单体间的相互推断。

1．乙烯的官能团是

，推测乙烯能发生的有机反应类型有氧化反应、加成反应、加聚反应等。

CH3—CH2—CH2OH能发生的有机反应类型有氧化反应、酯化反应、消去反应、取代反应等。

2．有机高分子化合物按其来源可分为：

天然高分子化合物（如淀粉、纤维素、蛋白质等）和合成高分子化合物（如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等）。

3．有机高分子化合物与低分子有机物的区别与联系

（1）高分子化合物的相对分子质量一般高达104～106，其数值为平均值；低分子有机物的相对分子质量常在1000以下，有确定的数值。

（2）高分子化合物由若干个重复结构单元组成；低分子有机物为单一的分子结构。

二者在物理、化学性质上有较大的差异。

（3）高分子化合物与低分子有机物的联系是有机高分子化合物是以低分子有机物为原料聚合生成。

探究点一　加成聚合反应

1．写出乙烯分子间相互反应生成聚乙烯的化学方程式

nCH2===CH2

CH2—CH2

（1）像这种由含有不饱和键的化合物分子以加成反应形式结合成高分子化合物的反应叫加成聚合反应，简称加聚反应。

（2）能够进行聚合反应形成高分子化合物的低分子化合物称为单体；

高分子化合物中化学组成相同、可重复的最小单位称为链节；含有链节的数目称为聚合度，通常用n表示。

（3）聚合物的平均相对分子质量等于链节的相对质量×n。

2．写出丙烯发生加聚反应的化学方程式，并注明高聚物的单体、链节、聚合度。

3．写出下列物质发生加聚反应的化学方程式

（3）1,3丁二烯nCH2===CH—CH===CH2

CH2—CH===CH—CH2；

（4）乙烯、丙烯共聚nCH2===CH2＋nCH2===CH—CH3

。

4．写出下列加聚产物的单体

[归纳总结]

（1）加聚反应的特点

①单体必须是含有双键、三键等不饱和键的化合物。

例如，烯、二烯、炔、醛等含不饱和键的有机物。

②发生加聚反应的过程中没有副产物（小分子化合物）产生，只生成高聚物。

③聚合物链节的化学组成跟单体的化学组成相同，聚合物的相对分子质量为单体相对分子质量的整数倍。

（2）由单体推断加聚物（高分子化合物）的方法：

将单体的不饱和键的碳链单独列一行，再把不饱和键按正确的方式打开，找到正确的链节，即可写出其化学式。

（3）由加聚产物确定单体的方法

①凡链节的主链只有两个碳原子（无其他原子）的聚合物，其合成单体必为一种，将两个半键闭合即可。

②凡链节主链有四个碳原子（无其他原子），且链节无双键的聚合物，其单体必为两种，在正中央划线断开，然后两个半键闭合即可。

③凡链节主链中只有碳原子，并存在碳碳双键结构的聚合物，其规律是“有双键，四个碳；无双键，两个碳”，划线断开，然后将半键闭合即单双键互换。

[活学活用]

1．工程塑料是具有优异的强度与耐热性，可作为工业用的结构材料，并具有功能作用结构的高性能塑料。

ABS树脂（结构式如下）是常用的一种工程塑料，

合成时用了3种单体，根据所学知识判断，这3种单体的结构简式分别为__________，__________，__________。

答案　CH2===CH—CN　CH2===CH—CH===CH2

解析　根据高聚物分子的链节，采用箭头法解题，如下图所示，可确定ABS树脂的单体：

则可确定三种单体分别是CH2===CH—CN、

CH2===CH—CH===CH2、CH2===CH—

。

探究点二　缩合聚合反应

1．根据酯化反应的原理，写出己二酸与乙二醇反应，生成链状高分子化合物的化学方程式：

（1）具有两个或多个官能团的单体相互结合成高分子化合物，同时有小分子（如H2O、NH3、HCl等）生成的反应称为缩合聚合反应，简称缩聚反应。

（2）写缩聚反应的化学方程式，除单体的物质的量与缩聚物结构式的下角标要一致外，也要注意生成小分子的物质的量。

由一种单体进行缩聚反应，生成小分子的物质的量应为n－1；由两种单体进行缩聚反应，生成小分子的物质的量应为2n－1。

2．写出下列缩聚反应的化学方程式

（1）羟基酸缩聚

。

（2）醇酸缩聚

。

（3）氨基酸缩聚

。

3．推断缩聚物的单体

（1）若缩聚物的链节含有

或

结构，其单体必为一种，在链节“

”氧原子上或“

”氮原子上加氢原子，羰基碳上加羟基，得到相应的单体。

如：

的单体是H2NCH2CH2COOH。

（2）当链节中含有酯基（

）或

结构时，则其单体至少是两种，此时常用“切割法”，断开羰基与氧原子间的共价键或断开羰基与氮原子间的共价键，然后在羰基碳上连上羟基，在氧或氮原子上连上氢原子。

[归纳总结]

（1）缩聚反应的特点

①缩聚反应的单体常具有双官能团（如—OH、—COOH、—NH2、—X）或多官能团及活泼氢原子等小分子。

②缩聚反应生成聚合物的同时，还有小分子副产物（如H2O、NH3、HCl等）生成。

③所得聚合物链节的化学组成与单体的化学组成不同。

（2）由缩聚物确定单体的方法

依据官能团的形成过程的连链逆向推出单体，把失去的小分子物质分拆后加在相应位置。

其关键是找出酯基或肽键，然后将酯基或肽键断开恢复为—COOH、—OH或—NH2，即可找到单体。

[活学活用]

2．下面是一种线型高分子的一部分：

由此分析，这种高分子化合物的单体至少有________种，它们的结构简式分别为_______________________________________________________________。

1．下列化合物不属于天然有机高分子化合物的是（　　）

A．淀粉B．油脂C．纤维素D．蛋白质

答案　B

解析　油脂是低分子化合物。

2．下列内容叙述不正确的是（　　）

A．乙烯和聚乙烯性质不相同

B．聚乙烯是由—CH2—CH2—分子组成的化合物，加热至某一温度则可完全熔化

C．同质量的乙烯和聚乙烯完全燃烧后生成的CO2的质量相等

D．乙烯和聚乙烯的最简式相同

答案　B

解析　乙烯聚合得聚乙烯高分子化合物，二者性质不同；聚乙烯是混合物，没有固定的熔点。

3．下列化合物中：

①HO（CH2）3COOH　②HO（CH2）2OH

③CH3CH===CH—CN　④

⑤HOOC（CH2）4COOH

（1）可发生加聚反应的化合物是________，加聚产物的结构简式为____________。

（2）同种分子间可发生缩聚反应生成酯基的化合物是__________，缩聚产物的结构简式为__________。

（3）两种分子间可发生缩聚反应的化合物是__________和__________，缩聚物的结构简式为____________。

答案　

（1）③　

（2）①　HOCH2CH2CH2COOH

（3）②　⑤　HOCH2CH2OOC（CH2）4COOH

解析　③分子结构中含有碳碳双键，所以可发生加聚反应；①分子结构中含有两个不同的官能团—OH、—COOH，所以同一种单体间可发生缩聚反应；②⑤分子中均各含有两个相同的官能团羟基、羧基，所以两种分子之间可发生缩聚反应。

理解感悟　

（1）只有分子中含有碳碳不饱和键才易发生加聚反应，碳氧双键不易发生加聚反应。

（2）④分子虽然也有羧基，但只有一个，不能和②发生缩聚反应，只可能发生酯化反应生成低分子有机物。

4．已知涤纶树脂的结构简式为

，它是______和________（填单体的结构简式）通过________反应而制得的，反应的化学方程式为__________________________________。

解析　从高聚物的结构简式分析，此高聚物属高聚酯，因而属于酯化型缩聚反应。

联想酯化反应的特征即可推出酸和醇的结构片段

、—OCH2CH2O—，再连接上—OH或—H即得到单体的结构简式。

[基础过关]

一、高分子化合物的有关概念

1．下列说法中正确的是（　　）

A．油脂是高级脂肪酸甘油三酯，其相对分子质量较大，所以是有机高分子化合物

B．聚乙烯是由乙烯经加聚反应合成的，所以聚乙烯和乙烯的化学性质相同

C．聚乙烯是由乙烯经加聚反应合成的，但是聚乙烯的基本结构和乙烯的结构不同

D．一块无色透明的塑料的成分是聚乙烯，所以是纯净物，有固定的相对分子质量

答案　C

解析　油脂的相对分子质量只有几百，而有机高分子化合物的相对分子质量一般高达104～106，所以，油脂不是有机高分子化合物。

乙烯在发生加聚反应时，碳碳双键打开，所以聚乙烯中没有碳碳双键，而是单键，因此二者结构和化学性质都不相同。

塑料的组成成分是聚乙烯，但是合成聚乙烯所用的乙烯分子的数目不同，聚合度不同，所以塑料不是纯净物，而是混合物。

2．某高聚物的结构片断如下：

，下列分析正确的是（　　）

A．它是缩聚反应的产物

B．其单体是CH2===CH2和HCOOCH3

C．其链节是CH3CH2COOCH3

D．其单体是CH2===CHCOOCH3

答案　D

解析　首先要明确由于主链上没有特征基团，如“—COOCH2—”和“—CONH—”等，因此该高聚物应是加聚物。

再根据加聚反应的特点去分析，若主链内只有C—C单键，每两个碳原子为一个链节，取这个片段，将C—C单键变为

双键，就找到合成这种高分子的单体；若主链内有

双键，则以

双键为中心取四个碳原子为一个片断，变

双键为C—C单键，把原来与

相邻的单键变为双键，即找到单体。

主碳链只有C—C单键，因此其单体是CH2===CHCOOCH3。

链节是该高聚物最小的重复单位，应为

。

3．下列叙述中正确的是（　　）

A．单体的质量之和等于所生成的高分子化合物的质量

B．单体为一种物质时，则单体发生加聚反应

C．缩聚反应的单体至少有两种物质

D．淀粉和纤维素的聚合度不同，不互为同分异构体

答案　D

解析　若为加聚反应，单体的质量之和等于所生成高分子化合物的质量；若为缩聚反应，高分子化合物的质量小于单体的质量之和，所以A项错误。

单体为一种物质时，单体可能发生加聚反应也可能发生缩聚反应，如乙烯通过加聚反应得到聚乙烯，乳酸（

）通过缩聚反应得到聚乳酸（

）和水，所以B项错误。

缩聚反应的单体可以为一种或多种物质，只要单体能同时提供两种可以相互反应的官能团即可，如聚乳酸的单体就只有乳酸一种，所以C项错误。

淀粉和纤维素虽然分子式都为（C6H10O5）n，但聚合度n不同，则分子式实际是不同的，不符合同分异构体的定义，所以彼此不互为同分异构体，D项正确。

二、有机合成反应类型的判断

4．分别用下列各组物质作为单体，在一定条件下，通过缩合聚合反应能合成高分子化合物的是（　　）

①乙烯、丙烯、苯乙烯　②乙酸、乙二醇　③1,6己二酸，1,6己二胺　④对苯二甲酸、乙二醇　⑤α氨基乙酸，α氨基丙酸　⑥α羟基丙酸

A．①③⑤⑥B．①②③④

C．③④⑤⑥D．①②③④⑤⑥

答案　C

解析　常见的缩聚反应主要有羟基和羧基的缩聚（包括二元羧酸和二元醇的缩聚、羟基酸的缩聚）、酚和醛的缩聚以及氨基和羧基的缩聚（包括二元羧酸和二元胺的缩聚、氨基酸的缩聚）等。

根据缩聚反应的特点，单体必须含有两个或两个以上的官能团，③中含有—COOH和—NH2；④中含有—COOH和—OH；⑤中含有—COOH和—NH2；⑥中含有—COOH和—OH。

5．下列有机化合物既能发生加成反应，又能发生加聚反应，还能发生缩聚反应的是（　　）

答案　B

解析　能发生加成反应的有机物含有

、—C≡C—或—CHO等；能发生加聚反应的含有

、—C≡C—等；能发生缩聚反应的含有—NH2与—COOH、—OH与—COOH或酚羟基与醛基等。

6．某种具有较好耐热性、耐水性和高频电绝缘性的高分子化合物的结构片断为

则生成该树脂的单体的种数和化学反应所属类型正确的是（　　）

A．1种，加聚反应B．2种，缩聚反应

C．3种，加聚反应D．3种，缩聚反应

答案　D

解析　从分子的组成来看，应是缩聚反应的产物，而且分子是由三种单体缩聚得到，分别是

、CH2O、

。

7．下列合成有机高分子化合物的反应中，属于加聚反应的是（　　）

A．①③B．②④C．①④D．②③

答案　B

解析　根据加聚反应的特点，单体含有不饱和键以及反应中没有副产物产生，可以判断②和④为加聚反应。

三、有机高分子化合物单体的判断

8．下列单体能在一定条件下发生加聚反应生成

的是（　　）

A．丙烯B．2甲基1,3丁二烯

C．乙烯和丙烯D．2甲基2丁烯

答案　B

解析　根据链节上的碳原子数目和键的类型可判断其单体是二烯烃

。

9．下列高聚物中，由两种不同的单体通过缩聚反应制得的是（　　）

答案　D

解析　分析题中四个选项：

A项是由CH2===CH2和CH2===CHCN加聚而成的；B项是由CH2===CH—CH===CH2加聚而成的；C项是由CH2===CH—CH===CH2和CH2===CHC6H5加聚而成的；只有D项中含有官能团—COO—，故D项是通过缩聚反应生成的。

10．一种有机玻璃的结构简式为

。

下列关于它的叙述中

不正确的是（　　）

A．

与CH3OH在一定条件下发生缩聚反应即可合成该有机玻璃

B．该有机玻璃能发生氧化反应

C．合成该有机玻璃的原料可能有甲烷

D．它在一定条件下发生水解反应时C—O键断裂

答案　A

解析　A项，

与CH3OH在浓硫酸的作用下得到甲基丙烯酸甲酯（

），

再发生加聚反应得到该有机玻璃；B项，该有机玻璃加热时易燃烧，能发生氧化反应；C项，合成该有机玻璃需要CH3OH，CH4与Cl2反应可得CH3Cl，CH3Cl水解可得CH3OH；D项，该有机玻璃含有酯基，在一定条件下发生水解导致C—O键断裂。

[能力提升]

11．请将合成下列高分子材料所用的单体、反应类型填入相应空格内。

（1）聚氯乙烯

单体为________________________________________，

反应类型为__________。

（2）

单体为_____________________________________，

反应类型为__________。

（3）

单体为___________________________________________，

反应类型为__________。

（4）天然橡胶

单体为___________________________，

反应类型为__________。

（5）锦纶

单体为______________________________，

反应类型为__________。

答案　

（1）CH2===CH—Cl　加聚反应

（5）H2N—（CH2）5COOH　缩聚反应

解析　根据高分子化合物的结构特点，确定聚合反应的反应类型，再依据加聚、缩聚物单体的判断方法，逐个进行分析、判断。

12．

（1）1mol丙酮酸（

）在镍的催化下与1mol氢气发生加成反应转变成乳酸，则乳酸的结构简式为__________________。

（2）在酸性条件下，与乳酸具有相同官能团的乳酸的同分异构体A发生消去反应生成B，则由A生成B的化学方程式为________________。

（3）B与甲醇生成的酯可以聚合，则该聚合物的结构简式为______________。

答案　

（1）CH3CH（OH）COOH

（2）HOCH2CH2COOH

CH2===CHCOOH＋H2O

（3）

解析　丙酮酸中含有—CO—和—COOH两种官能团，—CO—能与H2加成生成—CH（OH）—，而—COOH不能与H2发生加成反应，从而得出乳酸的结构简式为CH3CH（OH）COOH，其具有相同官能团的同分异构体只有HOCH2CH2COOH一种。

在酸性条件下，A加热失水可生成

或环酯。

但

（2）中指出发生消去反应，（3）中指出B与甲醇生成的酯可以聚合，暗示B中含有羧基（能生成酯），说明B为丙烯酸，而不是环酯。

13．聚氨酯是主链含有—NHCOO—重复单元的一类新型高分子化合物，其单体是二异氰酸酯（如O===C===N—R—N===C===O）和二元醇（HO—R′—OH）。

聚氨酯结构简式为

。

（1）上述二异氰酸酯和二元醇合成高聚物的反应属于________反应（填“加聚”或“缩聚”）。

（2）写出由2,6甲基苯二异氰酸酯

（

）和1,3丙二醇为单体生成高聚物的化学方程式：

________________________________________________________________________。

解析　根据二异氰酸酯（如O===C===N—R—N===C===O）和二元醇（如HO—R′—OH）反应的产物分析，反应过程中二异氰酸酯中碳氮键断裂，二元醇羟基中氢氧键断裂，然后分别连接得产物，因此从反应的过程上分析该反应属于加聚反应。

[拓展探究]

14．PBS是一种可降解的聚酯类高分子材料，可由马来酸酐等原料经下列路线合成：

（1）A→B的反应类型是__________；B的结构简式是____________。

（2）C中含有的官能团名称是__________；D的名称（系统命名）是__________。

（3）半方酸是马来酸酐的同分异构体，分子中含1个环（四元碳环）和1个羟基，但不含—O—O—键，半方酸的结构简式是____________。

（4）由B和D合成PBS的化学方程式是___________________________________________。

（5）下列关于A的说法正确的是________（填字母序号）。

a．能使酸性KMnO4溶液或溴的CCl4溶液褪色

b．能与Na2CO3反应，但不与HBr反应

c．能与新制Cu（OH）2反应

d．1molA完全燃烧消耗5molO2

答案　

（1）加成反应（或还原反应）　HOOCCH2CH2COOH

（2）碳碳三键、羟基　1,4丁二醇

（3）

（4）nHOOCCH2CH2COOH＋nHOCH2CH2CH2CH2OH

（2n－1）H2O或nHOOCCH2CH2COOH＋

nHOCH2CH2CH2CH2OH

（5）ac

解析　结构决定性质，性质反映结构，解题时要先观察分子内的官能团，然后根据官能团的性质确定有机物能发生的反应；写同分异构体时应根据分子式和题目所给要求来写。

（1）A的结构中含有碳碳双键，与H2发生加成反应生成B：

HOOCCH2CH2COOH。

（2）甲醛分子内的醛基与乙炔分子内的氢原子发生加成反应生成C：

，含有碳碳三键和羟基。

D的名称是1,4丁二醇。

（3）马来酸酐的分子式为C4H2O3，不饱和度为4，根据要求可写出半方酸的结构简式为

。

（4）HOOCCH2CH2COOH与HOCH2CH2CH2CH2OH发生酯化反应的化学方程式为nHOOCCH2CH2COOH＋nHOCH2CH2CH2CH2OH

。

（5）A分子内含有碳碳双键，可以被酸性高锰酸钾溶液氧化，使酸性高锰酸钾溶液褪色，能与溴发生加成反应而使溴的CCl4溶液褪色，也能与HBr发生加成反应；分子内含有羧基，可以与Na2CO3反应生成CO2；A分子内不含醛基，但含有羧基，能与氢氧化铜发生酸碱中和反应；A的分子式为C4H4O4,1molA完全燃烧消耗氧气3mol。