高中化學(xué) 專題三 讓有機(jī)反應(yīng)為人類造福 第四單元 有機(jī)高分子合成學(xué)案 蘇教版選修2-蘇教版高二選修2化學(xué)學(xué)案

第四單元有機(jī)高分子合成1．了解有機(jī)高分子化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本性質(zhì)，認(rèn)識有機(jī)合成材料的發(fā)展以及其對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步所起的重要作用。2．認(rèn)識天然橡膠的組成，知道硫化橡膠的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，了解合成橡膠的性能、合成和用途。3．知道塑料的主要成分，了解常見合成樹脂的組成、性能和合成反應(yīng)。4．了解高分子吸水材料的性能、吸水和保水的原理和主要用途。一種新的會呼吸的RGP隱形眼鏡，正在國內(nèi)悄悄地流行。越來越多的人開始認(rèn)識RGP，了解RGP，戴上了RGP。會呼吸的RGP隱形眼鏡的問世，可以說是近視者的一大福音，是隱形眼鏡史上的創(chuàng)世紀(jì)突破。RGP是硬性透氣性角膜接觸鏡，被稱為“會呼吸的角膜接觸鏡”，是衛(wèi)生部十年百項推廣項目之一。RGP有什么特點(diǎn)？透氧性高、安全性好、一定的硬度和彈性、光學(xué)性能好、對青少年近視的加深有一定控制作用、對不規(guī)則散光，外傷引起的散光矯正效果好，早中期圓錐角膜的治療，對高度近視、高度散光矯正效果好。思考：角膜接觸鏡的主要成分是什么？提示：角膜接觸鏡基本上可分為兩類：硬質(zhì)鏡片和軟質(zhì)鏡片，主要成分是高分子化合物。硬質(zhì)鏡片由聚甲基丙烯酸甲酯或醋酸纖維素丁酯制成；軟質(zhì)鏡片由羥乙基丙烯酸甲酯與其他種類塑料混合成型。硅膠作為半硬性材料也可做成透氣性良好的接觸鏡。一、高分子化合物1．高分子化合物的基本性質(zhì)高分子化合物的相對分子質(zhì)量很大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有不同于小分子化合物的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能。高分子化合物一般難溶，甚至不溶，其溶液的黏度比同濃度的小分子高得多。高分子化合物一般只有液態(tài)和固態(tài)，不能汽化，固體高分子化合物具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，可以抽絲或制成薄膜。2．高分子化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高分子鏈的幾何形狀大致有三種：線型、支鏈型、體型。高分子鏈與鏈之間的排列和堆砌結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。不同種高分子化合物之間的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了其性能的差異?，F(xiàn)在，人們主要通過聚合反應(yīng)合成功能各異的高分子物質(zhì)。二、天然橡膠與合成橡膠1．天然橡膠(1)來源與加工。天然橡膠是從橡膠樹或者橡膠草的汁液中提煉而來的。從橡膠樹身上割取的白色膠乳是橡膠分散在水里形成的膠體。在膠乳中加入少量醋酸，或用植物燃燒熏烤，膠乳就會凝固成具有彈性的黃色固體——生橡膠。把生橡膠和硫黃共同加熱，可以得到受熱不黏，遇冷不脆，強(qiáng)度和彈性也大為增強(qiáng)的硫化橡膠。(2)用途。由于橡膠的高彈性、電絕緣性、防水性和不透氣性，它被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國防和日常生活中。(3)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。天然橡膠加熱分解只生成異戊二烯，該分子的結(jié)構(gòu)簡式為____________。天然橡膠是由許多蜷曲的線型高分子組成的，高分子鏈節(jié)中含有碳碳雙鍵。天然橡膠的結(jié)構(gòu)簡式為___________________。聚異戊二烯長鏈分子相互纏繞在一起，就像一團(tuán)亂毛線，當(dāng)外界用力拉壓時，相互纏繞著的線型分子就會被拉長或壓縮，當(dāng)外力取消時，又會恢復(fù)原狀，這是因為生橡膠有一定的彈性。但它的制品因遇冷變脆，受熱發(fā)黏，易形變等而難以應(yīng)用。在硫化處理過程中，生橡膠分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，硫原子深入到線型高分子之間，使線型分子鏈間多處發(fā)生交聯(lián)，形成網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)的硫化橡膠。在硫化過程中還可以加入一些炭黑之類的填充劑和防老化劑。2．合成橡膠人們在充分認(rèn)識天然橡膠后，經(jīng)過逐步研究，通過化學(xué)方法合成了多種性能優(yōu)越的合成橡膠，如順丁橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠、丁苯橡膠、聚硫橡膠、乙丙橡膠等。三、合成樹脂1．塑料塑料的主要成分是合成樹脂。目前應(yīng)用比較廣泛的塑料如下：(1)PVC塑料的主要成分是聚氯乙烯；(2)PE塑料的主要成分是聚乙烯；(3)PP塑料的主要成分是聚丙烯；(4)F4塑料的主要成分是聚四氟乙烯；(5)ABS塑料的主要成分是丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物。2．由加聚反應(yīng)合成樹脂(1)均聚：只由一種單體加聚生成高分子化合物，這樣的反應(yīng)稱為均聚。(2)共聚：由兩種或兩種以上的單體聚合生成高分子化合物的反應(yīng)，稱為共聚。共聚通常兼有各個單體所形成的聚合物的優(yōu)點(diǎn)，從而可以改進(jìn)合成高分子的性能，類似于金屬材料的“合金化”。3．由縮聚反應(yīng)合成樹脂用于制造玻璃鋼、電木塑料的酚醛樹脂是人類合成的第一種高分子材料，至今仍被廣泛使用。它是甲醛和苯酚在催化劑作用下反應(yīng)生成的。在鹽酸(或氨水)的催化作用下，每個甲醛分子中的氧原子與苯酚分子中羥基鄰位(或鄰位與對位)上的氫原子結(jié)合生成水，余下的基團(tuán)彼此結(jié)合形成高分子。當(dāng)甲醛的量較少時，得到的主要是線型酚醛樹脂；方程式為：_______________________________________________________________________當(dāng)甲醛的量較多時，得到的主要是體型酚醛樹脂。四、高分子吸水材料1．原料高吸水性樹脂是由淀粉、纖維素等天然高分子與丙烯酸、苯乙烯磺酸進(jìn)行接枝共聚得到的，也有用聚乙烯醇與聚丙烯酸鹽交聯(lián)得到的。2．特性具有高吸水性和高保水性，能吸收相當(dāng)于自身重量數(shù)百倍乃至千倍的水，吸水膨脹后，即便加壓，依然“滴水不漏”。3．吸水原理高吸水性樹脂聚丙烯酸鈉交聯(lián)體是由高分子長鏈相互緊密纏繞卷曲，其中部分鏈之間交聯(lián)形成的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一遇水，交聯(lián)體中的鈉離子便游離于聚合物網(wǎng)絡(luò)之外，剩下帶負(fù)電荷的羧酸根相互排斥，使高分子鏈間的距離增大。此時，立體網(wǎng)絡(luò)猶如一個大網(wǎng)兜，可容納大量的水。它的吸水量為自身重量的幾百倍乃至幾千倍，它的保水能力也非常強(qiáng)，吸入的水即使在很大的壓強(qiáng)下也不會被擠出，是一種高效保水劑。4．用途(1)近20年來，吸水性樹脂得到迅速發(fā)展，現(xiàn)在我們將其稱為高吸水功能性高分子材料(簡稱SAP)。SAP不僅應(yīng)用于衛(wèi)生用品和農(nóng)林業(yè)，還介入電纜、醫(yī)療、土木建筑和食品保鮮等多個行業(yè)。(2)在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用。丙烯酸系吸水樹脂可以作為土壤保水材料。土壤保水材料能夠在土壤有較多水時吸收大量水分，而當(dāng)土壤缺水時又能釋放出水分，如同在植物根部形成一個“小水庫”。留在根部的水分80%～95%會被植物吸收，大大減少了地表水分的蒸發(fā)。在土壤中加1%的吸水劑可提高土壤保水率40%左右。這樣，既能保證植物正常生長，又能保持土壤長期濕潤，起到調(diào)控水分的作用。思考：加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)有什么區(qū)別？提示：1單體所含官能團(tuán)不同，加聚反應(yīng)單體含不飽和鍵，縮聚反應(yīng)單體往往含有—OH、—CHO、—NH2、—COOH等。2產(chǎn)物不同，縮聚反應(yīng)除了生成高分子化合物外，還有小分子生成。一、加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)1．加聚反應(yīng)(1)加聚反應(yīng)涉及單體、鏈節(jié)、聚合度、聚合物等概念，以乙烯的加聚反應(yīng)為例，對相關(guān)概念進(jìn)行歸納：概念含義實例單體形成高分子化合物的低分子化合物CH2=CH2鏈節(jié)高分子化合物中化學(xué)組成相同，可重復(fù)的最小單位—CH2—CH2—聚合度高分子鏈中含有鏈節(jié)的數(shù)目n聚合物由單體聚合而成的相對分子質(zhì)量較大的化合物(2)加聚反應(yīng)的特點(diǎn)。①單體必須是含有雙鍵等不飽和鍵的化合物(例如烯烴、二烯烴、炔烴、醛等)。②加聚反應(yīng)發(fā)生在不飽和鍵上。③加聚反應(yīng)過程中，只生成高聚物，聚合物鏈節(jié)的化學(xué)組成跟單體的化學(xué)組成相同。④加聚反應(yīng)生成的聚合物相對分子質(zhì)量為單體相對分子質(zhì)量的整數(shù)倍。2．縮合聚合反應(yīng)(1)縮聚反應(yīng)的特點(diǎn)。①單體為含有兩個或兩個以上的官能團(tuán)的(如—OH、—COOH、—NH2、—X等)化合物。②縮聚反應(yīng)過程中生成高聚物的同時，還有小分子副產(chǎn)物生成(如H2O、NH3、HCl)。③所得高分子化合物的化學(xué)組成跟單體的化學(xué)組成不同。(2)加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)的對比。加聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)單體結(jié)構(gòu)單體必須是含有雙鍵等不飽和鍵的化合物(如乙烯、氯乙烯、丙烯腈等)單體為含有兩個或兩個以上的官能團(tuán)的(如—OH、—COOH、—NH2、—X等)化合物反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)發(fā)生在不飽和鍵上反應(yīng)發(fā)生在不同的官能團(tuán)之間聚合方式通過碳碳雙鍵等的加成連接通過縮合脫去小分子而連接反應(yīng)特點(diǎn)只生成高聚物生成高聚物的同時，還有小分子副產(chǎn)物生成(如H2O、NH3、HCl等)聚合物化學(xué)組成所得高聚物的化學(xué)組成跟單體的化學(xué)組成相同，其相對分子質(zhì)量eq\x\to(M)＝M(單體)×n(聚合度)所得高聚物的化學(xué)組成跟單體的化學(xué)組成不同。其相對分子質(zhì)量eq\x\to(M)＜M(單體)×n(聚合度)二、聚合物單體的推斷方法對于加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)知識的學(xué)習(xí)，不僅要求根據(jù)單體書寫聚合反應(yīng)，確定聚合物；而且要求根據(jù)聚合物推斷單體，確定結(jié)構(gòu)式?，F(xiàn)將根據(jù)聚合物推斷單體的基本方法和步驟進(jìn)行以下歸納。1．確定聚合物的類型聚合物可以通過加聚反應(yīng)或縮聚反應(yīng)得到。要推斷一種聚合物的單體，必須首先確定這種聚合物是加聚產(chǎn)物還是縮聚產(chǎn)物。聚合物鏈節(jié)特點(diǎn)加聚產(chǎn)物全是C—C鍵或有C—C鍵和C=C鍵或有C—C鍵和C—O鍵縮聚產(chǎn)物含—COO—或—CO—NH—或—C6H4(OH)—CH2—2．確定聚合物的單體根據(jù)聚合物的類型以及鏈節(jié)的特點(diǎn)，聚合物的單體推斷方法如下：鏈節(jié)特點(diǎn)推斷方法加聚產(chǎn)物的單體推斷全是C—C鍵或有C—C鍵和C=C鍵取出鏈節(jié)，單鍵改為雙鍵，雙鍵改為單鍵，斷開錯誤的鍵有C—C鍵和C—O鍵將高聚物的鏈節(jié)兩端相連成環(huán)，然后，破環(huán)形成C=O即為單體縮聚產(chǎn)物的單體推斷含—COO—(酯基)或—CO—NH—(肽鍵)羰基和氧原子斷開，羰基和氮原子斷開；羰基連羥基，氧、氮原子都連氫含有—C6H4(OH)—CH2—一般為醛類和酚類的縮聚產(chǎn)物，苯環(huán)補(bǔ)氫，另一部分的碳上加氧拓展思考：加聚反應(yīng)單體的判斷需要注意什么問題？提示：加聚產(chǎn)物的單體推斷中“斷開錯誤的鍵”是指超過“碳四鍵”的兩個相鄰碳原子之間的碳碳鍵。例如根據(jù)推斷單體，取出鏈節(jié)為—CH2—CH2—CH2—CH=CH—CH2—；單鍵改雙鍵，雙鍵改單鍵為CH2=*CH2=*CH2=CH—CH=CH2，其中“*”表示碳原子超過“碳四鍵”，斷開錯誤的鍵即可得到單體為CH2=CH2和CH2=CH—CH=CH2。三、制備酚醛樹脂一個參與縮聚反應(yīng)的單體上所含有的能參與反應(yīng)的官能團(tuán)數(shù)稱為官能度?？s聚反應(yīng)包括線型縮聚反應(yīng)和體型縮聚反應(yīng)。線型縮聚的必要條件是需要一種或兩種雙官能度單體。例如，乙二醇與己二酸均為雙官能度單體，記為22官能度體系，縮聚反應(yīng)如下：nHO—(CH2)2—OH＋nHOOC—(CH2)4—COOHH＋(2n－1)H2O相應(yīng)地，如體系中使用一個雙官能團(tuán)單體和一種三官能團(tuán)單體或一種四官能團(tuán)單體進(jìn)行縮聚，就分別記作“23”或“24”體系。它們中含有多官能團(tuán)單體，除了初期能生成線型縮聚物外，側(cè)基也能縮合并生成支鏈，進(jìn)一步形成體型結(jié)構(gòu)，這稱作體型縮聚反應(yīng)。苯酚在鄰、對位都容易發(fā)生反應(yīng)，它能夠跟甲醛形成線型或體型高聚物。在酸性條件下，苯酚過量時，主要在兩個鄰位起反應(yīng)，合成線型酚醛樹脂(粉紅色)。苯酚甲醛酚醛樹脂在堿性條件下，甲醛過量時，苯酚的苯環(huán)不僅在鄰位而且在對位上都與甲醛起反應(yīng)，得到體型的酚醛樹脂(淡黃色)。酚醛樹脂是一類合成樹脂，它的單體屬于酚類的可以是苯酚、苯甲酚、間苯二酚等，屬于醛類的可以是甲醛、糠醛等。知識點(diǎn)1高分子化合物的結(jié)構(gòu)【例題1】下列高聚物經(jīng)簡單處理可以從線型結(jié)構(gòu)變成體型結(jié)構(gòu)的是()。A．B．C．D．解析：體型結(jié)構(gòu)的高分子特征是高分子鏈與高分子鏈之間相互交聯(lián)，形成立體或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。B項中苯酚與甲醛的反應(yīng)還可以發(fā)生在對位，相互交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；C項中的雙鍵還能繼續(xù)相互加成，相互交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。答案：BC點(diǎn)撥：高分子從線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為體型結(jié)構(gòu)，要求線型結(jié)構(gòu)中必須還存在能發(fā)生加聚或縮聚反應(yīng)的官能團(tuán)，如雙鍵、羥基、氨基等。知識點(diǎn)2天然橡膠與合成橡膠【例題2】根據(jù)系統(tǒng)命名法，天然橡膠應(yīng)稱聚2－甲基－1，3－丁二烯，其結(jié)構(gòu)簡式為：，單體為2－甲基－1,3－丁二烯()，該加聚反應(yīng)的化學(xué)方程式為，合成橡膠就是根據(jù)以上原理生產(chǎn)的。(1)以為單體生產(chǎn)氯丁橡膠，試寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：______________________；(2)1,3－丁二烯(CH2=CH—CH=CH2)和苯乙烯()按物質(zhì)的量之比為1∶1加聚，可生產(chǎn)丁苯橡膠，試寫出丁苯橡膠的結(jié)構(gòu)簡式：________________；(3)丁腈橡膠的結(jié)構(gòu)簡式為：，形成該橡膠的單體為______________、__________________。解析：根據(jù)信息，合成橡膠是利用加聚反應(yīng)的原理生產(chǎn)的。(1)的加聚與二烯烴的加聚類似。(2)1,3－丁二烯和苯乙烯加聚時，單烯烴打開雙鍵，二烯烴的兩個雙鍵也同時打開，彼此相互連接而二烯烴又形成一個新雙鍵。(3)根據(jù)加聚產(chǎn)物單體的推斷方法：“取出鏈節(jié)，單鍵改為雙鍵，雙鍵改為單鍵，斷開錯誤的鍵”，丁腈橡膠的單體推斷過程為：，故單體為CH2=CH—CH=CH2和CH2=CH—CN。答案：(1)CHnCH2CClCH2eq\o(→,\s\up7(催化劑))(2)(3)CH2=CH—CH=CH2和CH2=CH—CN點(diǎn)撥：合成橡膠利用的是加聚反應(yīng)，可以根據(jù)加聚反應(yīng)的規(guī)律分析合成橡膠的制備原理，包括根據(jù)單體書寫合成橡膠的結(jié)構(gòu)、根據(jù)合成橡膠的結(jié)構(gòu)推斷單體等。知識點(diǎn)3加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)【例題3】化學(xué)纖維是傳統(tǒng)三大合成高分子材料之一，其中的滌綸和維尼綸至今仍在紡織業(yè)中作為重要的原料。滌綸、維尼綸的結(jié)構(gòu)簡式如下：滌綸：(分子鏈兩端連接的H—、—O—CH2—CH2—OH是鏈的終止基團(tuán))維尼綸：(鏈的終止基團(tuán)已被省略)工業(yè)上用煤、石油等綜合利用的產(chǎn)物生產(chǎn)滌綸和維尼綸，下面是合成所需基本原料的制備方法：已知：A為單質(zhì)，B、C、E、G、H通常情況下為氣體。合成流程如下：合成滌綸：合成維尼綸：回答下列問題：(1)G與L反應(yīng)生成N的反應(yīng)類型是________。(2)合成滌綸的流程中，可以重復(fù)利用的物質(zhì)的名稱是________。(3)高分子化合物O________(填“能”或“不能”)溶于水，原因是________________。(4)寫出M和J反應(yīng)生成滌綸的化學(xué)方程式(滌綸的結(jié)構(gòu)中應(yīng)含有終止基團(tuán))：________。(5)寫出O與E反應(yīng)生成維尼綸的化學(xué)方程式：______________________。解析：分析滌綸和維尼綸的結(jié)構(gòu)可知，合成滌綸的兩種單體是乙二醇和對苯二甲酸，如果同學(xué)們能熟練判斷單體的話，也可確定維尼綸是由聚乙烯醇和甲醛合成的。再分析反應(yīng)流程：因A在高溫下能夠與水蒸氣和氧化鈣反應(yīng)，且A為單質(zhì)，由此可知A為碳單質(zhì)，F(xiàn)為CaC2，G為乙炔；B、C為CO和H2中的一種，二者反應(yīng)的產(chǎn)物能夠在銅的作用下反應(yīng)，且D能夠與羧酸發(fā)生酯化反應(yīng)，所以D為甲醇，E為甲醛。對苯二甲酸和甲醇反應(yīng)的產(chǎn)物M應(yīng)是對苯二甲酸二甲酯，根據(jù)滌綸的結(jié)構(gòu)簡式可知J為乙二醇，它和M發(fā)生酯交換反應(yīng)生成了滌綸，J由H合成，由此可知H為乙烯，I為1,2－二溴乙烷，K為乙醇，L為乙酸。答案：(1)加成反應(yīng)(2)甲醇(3)能分子鏈中有許多親水基(—OH)(4)(n＋1)HO—CH2—CH2—OHeq\o(→,\s\up7(一定條件))＋2nCH3OH(5)1隨著工業(yè)的高速發(fā)展，橡膠的產(chǎn)量和性能已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，近年來，人們合成了一種無機(jī)耐火橡膠，它的結(jié)構(gòu)應(yīng)是()。A．B．C．D