(共47张PPT)
本章整合
第3章
2021
知识网络
重难突破
突破一
有机合成的思路与技巧
典例1(2020山东化学,19)化合物F是合成吲哚-2-酮类药物的一种中间体,其合成路线如下:
回答下列问题:
(1)实验室制备A的化学反应方程式为 ,提高A产率的方法是 ;A的某同分异构体只有一种化学环境的碳原子,其结构简式为 。
(2)C→D的反应类型为 ;E中含氧官能团的名称为 。
(3)C的结构简式为 ,F的结构简式为 。
解析 本题以合成吲哚-2-酮类药物的一种中间体的合成路线为素材,题目在信息设计、问题设计等各方面都比较合理。根据题干信息Ⅰ很容易推出A。B→C的水解反应也是高中常见的反应。C→D→E的过程需要利用题目中的信息Ⅱ,虽然信息相对陌生,但均为非常明确的取代反应。
变式训练1(2019全国1,36)化合物G是一种药物合成中间体,其合成路线如下:
回答下列问题:
(1)A中的官能团名称是 。
(2)碳原子上连有4个不同的原子或基团时,该碳称为手性碳。写出B的结构简式,并用星号(*)标出B中的手性碳: 。
(3)写出具有六元环结构、并能发生银镜反应的B的同分异构体的结构简式: 。
(不考虑立体异构,只需写出3个)
(4)反应④所需的试剂和条件是 。
(5)⑤的反应类型是 。
(6)写出F→G的反应方程式: 。
(7)设计由甲苯和乙酰乙酸乙酯(CH3COCH2COOC2H5)制备 的合成路线(无机试剂任选)。
(4)C2H5OH/浓硫酸、加热
(5)取代反应
方法规律 1.有机合成路线设计的一般原则和程序
(1)所选的原料易得、廉价、低毒或无毒;
(2)反应步骤尽可能少;
(3)副产物尽可能少;
(4)找出原料和目标分子中间的过渡物质;
(5)按一定的反应顺序引入官能团,必要时应采取一定的措施保护已引入的官能团。
2.有机合成路线设计的一般思路
设计时将原料与产品的结构从两方面对照分析:
(1)碳骨架如何变化;
(2)官能团有何变更。
3.有机合成题的几个注意事项
(1)认真研究题给信息,并加以充分利用。如烯烃的臭氧化反应(最常见的信息之一):
利用该反应,再进一步结合氧化反应或还原反应,以灵活实现有机化合物官能团之间的转化。
(2)苯环上官能团的衍变关系:
(3)基团的保护问题:
酚羟基易被氧化,因此在其他基团被氧化之前可以先使其与NaOH反应,把—OH转化为—ONa,将其保护起来,待氧化后再与酸反应转化为—OH(酚羟基)。
也易被氧化,可用HCl加成将其保护,之后再利用消去反应转变为 。
突破二
有机化合物结构推断的思路与技巧
③苯胺与甲基吡啶互为芳香同分异构体
回答下列问题:
(1)A的化学名称为 。
(2)由B生成C的化学方程式为 。
(3)C中所含官能团的名称为 。
(4)由C生成D的反应类型为 。
(5)D的结构简式为 。
(6)E的六元环芳香同分异构体中,能与金属钠反应,且核磁共振氢谱有四组峰,峰面积之比为6∶2∶2∶1的有 种,其中,芳香环上为二取代的结构简式为 。
答案 (1)三氯乙烯
(3)碳碳双键、氯原子
(4)取代反应
解析 (1)由题中信息①反应物结构(含有碳碳双键)和反应条件(CCl3COONa、乙二醇二甲醚、加热),结合A的分子式为C2HCl3,可推出其结构简式为ClHC==CCl2,化学名称为三氯乙烯。三氯乙烯(C2HCl3)发生信息①的反应
(2)B与氢氧化钾的醇溶液共热发生消去反应生成
(3)由C的分子结构可知其所含官能团有碳碳双键和氯原子。
(4)C( )与过量的二环己基胺发生反应生成D,D与E发生信息②的反应生成F,由F的分子结构和D的分子式可确定D的结构简式为 。则由C生成D的反应为C的分子中的两个氯原子被二环己基胺基所取代,则由C生成D的反应类型为取代反应。
(6)根据E的同分异构体限制条件:六元环芳香同分异构体中,能与金属钠反应(说明分子中含有羟基);核磁共振氢谱有四组峰,峰面积之比为6∶2∶2∶1,则其结构较为对称。
变式训练2(2020全国2,36)维生素E是一种人体必需的脂溶性维生素,现已广泛应用于医药、营养品、化妆品等。天然的维生素E由多种生育酚组成,其中α-生育酚(化合物E)含量最高,生理活性也最高。下面是化合物E的一种合成路线,其中部分反应略去。
回答下列问题:
(1)A的化学名称为 。
(2)B的结构简式为 。
(3)反应物C含有三个甲基,其结构简式为 。
(4)反应⑤的反应类型为 。
(5)反应⑥的化学方程式为 。
(6)化合物C的同分异构体中能同时满足以下三个条件的有 个(不考虑立体异构体,填字母)。
(ⅰ)含有两个甲基;(ⅱ)含有酮羰基(但不含C==C==O);(ⅲ)不含有环状结构。
a.4 b.6 c.8 d.10
其中,含有手性碳(注:连有四个不同的原子或基团的碳)的化合物的结构简式为 。
解析 (1)根据有机物命名规则可知,—OH优先于—CH3。根据系统命名法,—OH所连碳为1号碳,故名称为3-甲基苯酚;或用习惯命名法命名为间甲基苯酚。
(2)利用信息a、B的分子式及反应②的产物,可推知B的结构简式为
(3)根据信息b,以及反应④的产物和C中含有三个甲基可知C的结构简式为
(4)根据信息c可知反应⑤为羰基的加成反应。
(5)根据反应条件可知反应⑥为加氢反应,从产物的结构分析可知D中的碳碳三键经与氢气加成后产生碳碳双键。
(6)根据碳原子的不饱和程度,结合题目条件可知,分子中应含有碳碳双键和酮羰基,则符合的结构有(编号为碳碳双键位置):
方法规律 1.有机推断六大“题眼”
(1)有机化合物的化学性质和物理性质。
(2)有机反应的条件。
(3)有机反应的数据。
(4)有机化合物的结构。
(5)有机化合物的通式。
(6)所给的反应信息。
2.推断题给出的一些常见的典型信息种类
(1)结构信息(碳骨架结构—官能团的位置—同分异构体)。
(2)组成信息(质量分数—最简式的计算—分子式与通式)。
(3)反应信息(有机反应—官能团的确定—结构的转变)。
(4)转化信息(转化关系—分子式的变化—分子类别的关系)。
(5)性质信息(有机化合物性质—结构的确定—应用与用途)。
3.推断的方法
推断有机化合物的方法、推断的思维过程与题给相关推断信息密切相关,推断的一般方法有如下三类,与此对应的也就有三种思维过程:
(1)顺向推(顺向思维——直接推断法)
(2)逆向推(逆向思维——间接推断法)
(3)多向推(立体思维——多向推断法)
4.思维程序
思维程序一:
思维程序二:
有机化合物相对分子质量-已知基团的式量=剩余部分的式量→剩余部分的化学式
5.解题思路(共58张PPT)
第1课时 有机合成的关键
——碳骨架的构建和官能团的引入
第3章
2021
素养目标
1.理解卤代烃在不同的反应条件下可以发生取代反应和消去反应。认识卤代烃的应用对人类和环境产生的影响,培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
2.通过典型物质的化学反应,掌握有机化合物碳链上引入碳碳双键、羟基、卤素原子、醛基、羧基、酯基的方法。归纳碳骨架的构建和官能团引入与转化的方法,形成证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
课前篇 素养初探
必备知识
一、有机合成的流程
二、碳骨架的构建
包括在原料分子及中间化合物分子的碳骨架上增长或缩短碳链,成环或开环等。
1.碳链的增长
(1)溴乙烷转化为丙酸可表示为
CH3CH2Br+NaCN→CH3CH2CN+NaBr,
CH3CH2CN CH3CH2COOH。
(2)乙醛制取丙烯酸的转化过程可表示为
(3)羟醛缩合反应(以乙醛为例)过程可表示为
2.常见的缩短碳链的方法
(1)丙烯被酸性KMnO4溶液氧化的过程可表示为
CH3CH==CH2 CH3COOH+CO2↑。
(2)无水醋酸钠与碱石灰反应的化学方程式为
CH3COONa+NaOH CH4↑+Na2CO3。
三、官能团的引入与转化
1.官能团的引入
(1)引入碳碳双键。
由CH3CH2OH制取CH2==CH2的化学方程式:
CH3CH2OH CH2==CH2↑+H2O。
(2)引入卤素原子。
CH2==CH2与HCl反应的化学方程式:
CH2==CH2+HCl CH3CH2Cl。
(3)引入羟基。
CH2==CH2与H2O反应的化学方程式:
CH2==CH2+H2O CH3CH2OH;
CH3CH2Br在NaOH溶液中发生取代反应的化学方程式:
CH3CH2Br+NaOH CH3CH2OH+NaBr。
(4)引入羰基。
(5)引入羧基。
RCH2CH==CH2被酸性KMnO4溶液氧化的过程可表示为
2.官能团的转化
包括官能团种类变化、数目变化、位置变化等。
(1)种类变化:例如CH3CH2OH→CH3CHO的转化
2CH3CH2OH+O2 2CH3CHO + 2H2O。
(2)数目变化:例如CH3CH2Br→CH2BrCH2Br的转化
CH3CH2Br+NaOH CH2==CH2↑+NaBr+H2O,CH2==CH2+Br2→CH2Br—CH2Br。
(3)位置变化:例如CH3CH2CH2OH→CH3CHOHCH3的转化
自我检测
1.判断下列说法是否正确,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)有机合成的关键是目标化合物分子碳骨架的构建和官能团的引入。( )
(2)绿色合成思想只要求所有原料都转化为目标化合物。( )
(3)用乙炔为原料制取CHClBr—CH2Br,可先与HBr加成,再与HCl加成。( )
(4)化学反应CH2==CH2+Br2→CH2BrCH2Br可引入溴原子。( )
(5)若以溴乙烷为主要原料制备乙二酸,则经过的最佳途径反应顺序为:消去—加成—取代—氧化。( )
√
×
×
√
√
C.乙醛的同系物
D.丁醛的同分异构体
答案 A
解析 该有机化合物的结构简式有两种可能,分别是 或 ,且后者是乙醛的同系物,也是丁醛的同分异构体,故A项符合题意。
课堂篇 素养提升
探究一
碳骨架的构建
问题探究
有机合成中,构建碳骨架时,应注意哪些问题
提示 构建碳骨架,一般是在原料分子及中间化合物分子的碳骨架上增长或缩短碳链,以及成环或开环等。
(1)选择改变碳链反应时,一方面要注意碳链变化的位置或结构,另一方面要注意分析需要变化位置的官能团,才能想到和利用相应的反应或方法。
(2)成环物质的分子特点是:在同一个分子中存在能够相互反应的两个官能团,一般是通过官能团间脱水而形成环状物。
开环可以看作成环的逆反应,一般可通过水解反应完成。
深化拓展
碳骨架的构建
(1)常见的碳链增长的方法
特别提醒①通过羟醛缩合增长碳链时,至少一种分子中含有α-H才能完成该反应。
②酯化反应虽然可以使主链上的碳原子数增加,但同时在主链上引入了氧原子。故一般情况下,不把酯化反应列为增长碳链的反应。
(2)碳链的缩短
(3)成环反应
①羟基酸分子内酯化,如:
②二元酸与二元醇分子间酯化成环,如:
素能应用
典例1以乙烯为初始反应物可制得正丁醇:(CH3—CH2—CH2—CH2—OH)。已知两个醛分子在一定条件下可以自身加成。下列转化过程的中间产物(Ⅲ)可看成由(Ⅰ)中的碳氧双键中的一个键打开,分别跟(Ⅱ)中的2-位碳原子和一个2-位氢原子相连而得。(Ⅲ)是一种3-羟基醛,不稳定,受热即脱水而生成不饱和醛(烯醛):
请运用已学过的知识和上述给出的信息写出由乙烯制正丁醇各步反应的化学方程式。
变式训练1某有机化合物D的结构简式为 ,它是一种常见的有机溶剂,它可以通过下列方法制得:
A.1-丁烯 B.1,3-丁二烯
C.乙炔 D.乙烯
答案 D
解析 根据题意用逆推法进行分析,最终产物D为 ,D是由C经取代反应得到,则C为醇,B为卤代烃,而A与Br2反应生成B,则A为不饱和烃,则A可能为CH2==CH2。
变式训练2写出以CH2ClCH2CH2CH2OH为原料制备 的各步反应的化学方程式(必要的无机试剂可自选)。
解析 分析比较给出的原料与所要制备的产品的结构特点可知,原料为卤代醇,产品为同碳原子数的环内酯。因此,可以先将醇羟基氧化成羧基,然后使卤素原子发生取代反应生成—OH,再进行酸化,最后再酯化。但氧化和水解的顺序不能颠倒,因为先水解后无法控制只氧化一个—OH。
探究二
官能团的引入与转化
问题探究
对羟基苯甲酸丁酯(俗称尼泊金丁酯)可用作防腐剂,工业上常用对羟基苯甲酸与丁醇在浓硫酸催化作用下进行酯化反应而制得。以下是某课题组开发的利用廉价、易得的化工原料制备对羟基苯甲酸丁酯的合成路线:
以上转化过程中经过了官能团的转化、引入。官能团的转化有几种可能 常见有机化合物官能团之间的转化关系如何
提示 ①官能团种类的转化;②官能团数目的转化;③官能团位置的转化。
有机化合物官能团之间常见的转化关系:
深化拓展
官能团的消除与衍变
(1)官能团的消除
①通过加成反应消除不饱和键。
②通过消去反应、氧化反应、酯化反应等消除羟基。
③通过加成反应或氧化反应等消除醛基。
(2)官能团的衍变
根据合成需要(有时题目信息中会明示某些衍变途径)可进行有机化合物官能团的衍变。常见的有三种方式:
素能应用
A.A的结构简式是CH2==CHCH2CH3
B.C在Cu或Ag作为催化剂、加热条件下能被O2氧化为醛
C.B中含有的官能团有溴原子、碳碳三键
D.①②③的反应类型分别为加成反应、取代反应、消去反应
答案 B
解析 根据题意分析可得A为CH2==CHCH==CH2,B为BrCH2CH==CHCH2Br,C为HOCH2CH==CHCH2OH。A为CH2==CHCH==CH2,名称为1,3-丁二烯,选项A错误;C为HOCH2CH==CHCH2OH,在Cu或Ag作为催化剂、加热条件下能被O2氧化为醛,选项B正确;B中含有的官能团有溴原子、碳碳双键,选项C错误;由上述分析可知,①②③的反应类型分别为加成反应、取代反应、取代反应,选项D错误。
易错警示在分子中引入多个不同的官能团时,必须考虑以下几点:①后一步反应对已有官能团的影响。例如,卤代烃和酯都会在碱性条件下发生取代(水解)反应,若分子中同时存在卤素原子和酯基,一般不考虑利用这一反应除掉酯基而保留卤素原子。有时为了得到理想的化合物,可以考虑对已有基团加以保护。②先引入官能团对后引入官能团的位置的影响作用,决定了多种官能团引入的先后顺序。
变式训练3(2020安徽怀宁中学高二月考)已知:CH3—CH==CH2+HBr CH3—CHBr—CH3(主要产物)。1 mol某烃A充分燃烧后可以得到8 mol CO2和4 mol H2O。该烃A在不同条件下能发生如图所示的一系列变化。下列说法正确的是( )
答案 B
解析 1 mol某烃A充分燃烧后可以得到8 mol CO2和4 mol H2O,故烃A的分子式为C8H8,可能含有苯环,由A发生加聚反应生成C可知,A中除苯环外还
变式训练4(2020云南昭通永善县第二中学高二期末)根据下述转化关系,回答问题:
②C物质苯环上一卤代物只有两种。
(1)写出B物质的名称: ;D物质的结构简式为 。
(2)写出反应②的类型: ;反应⑤的条件是 。
(3)写出反应⑥的化学方程式: 。
(4)写出D+E反应的化学方程式: 。
(5)反应②还有可能生成一种分子式为C16H18的有机化合物,其苯环上一卤代物也只有两种,写出它的结构简式: 。
解析 由C比甲苯多两个碳原子,结合反应①条件及信息可知,A为乙烯,B为1,2-二溴乙烷。因C的苯环上一卤代物只有两种,故C分子中两个取代基处于对位,C的结构简式为 。C→D→E分别为卤代烃发生取代反应得到醇、醇氧化得到酸。比较C、G的分子式可知,C→F→G分别为卤代烃的消去反应、烯烃的加聚反应,从而得到高分子化合物。
(5)根据题意可知,一分子1,2-二溴乙烷与两分子甲苯可发生所给信息的反应,且均为甲基对位的氢原子参与反应。
素养脉络
随堂检测
1.下列反应中一定能使碳链增长的是( )
A.乙醇与卤化氢反应
B.丙醛与HCN的加成反应
C.1-丙醇与浓硫酸共热到170 ℃
D.1-丁烯与H2加成
答案 B
2.在给定条件下,下列选项中所示物质间的转化均能实现的是( )
答案 B
解析 CH3CH2CH2Br和氢氧化钠的乙醇溶液共热时发生消去反应得CH3CH==CH2,A错误;苯酚有弱酸性,苯酚与氢氧化钠反应生成苯酚钠和水,苯酚钠可以和二氧化碳反应生成碳酸氢钠和苯酚,B正确;蔗糖不是还原性糖,不会与新制的氢氧化铜悬浊液反应,C错误;聚丙烯的结构简式为 ,D错误。
3.由乙醇制取乙二酸乙二酯的途径包含下列反应类型,其顺序正确的是( )
①取代反应 ②加成反应 ③氧化反应 ④消去反应
⑤酯化反应
A.①②③④⑤ B.④②①③⑤
C.②①③④⑤ D.④②③①⑤
答案 B
解析 乙醇与浓硫酸共热在170 ℃时发生消去反应产生乙烯,然后乙烯与溴单质发生加成反应产生1,2-二溴乙烷,1,2-二溴乙烷在NaOH的水溶液中加热发生取代反应产生乙二醇,乙二醇发生氧化反应产生乙二酸,乙二酸与乙二醇在浓硫酸存在时加热发生酯化反应产生乙二酸乙二酯,故反应的顺序是④②①③⑤,选项B正确。
4.已知反应类型:(a)酯化反应,(b)取代反应,(c)消去反应,(d)加成反应,(e)水解反应,其中能在有机化合物的分子中引入羟基官能团的正确组合有( )
A.(a)(b)(c) B.(a)(d)(e)
C.(b)(d)(e) D.(b)(c)(d)(e)
答案 C
解析 酯化反应可消除羟基;消去反应也可消除羟基;取代反应可以引入羟基,例如卤代烃在NaOH水溶液加热条件下的取代反应、酯的水解反应;加成反应可以引入羟基,例如乙烯与水发生加成反应制乙醇等,则选项C符合题意。
5.乙烯是重要的化工原料,以乙烯为原料在不同条件下可合成下列物质(部分条件未标出):
按下列要求填空:
(1)聚乙烯的结构简式是 ,乙醛的结构简式是 。
(2)反应①的化学方程式是 ,反应类型是 。
(3)反应③的化学方程式是 ,反应类型是 。
(4)反应⑤的化学方程式是 ,反应类型是 。
解析 (1)乙烯分子中含有碳碳双键,能发生加聚反应生成聚乙烯,聚乙烯的结构简式为 CH2—CH2 ;乙醛的结构简式为 。
(2)乙烯与溴发生加成反应生成1,2-二溴乙烷,化学方程式为CH2==CH2+Br2→CH2Br—CH2Br。
(3)乙烯与水发生加成反应生成乙醇,该反应的化学方程式为CH2==CH2+H2O CH3CH2OH。
(4)乙醛发生催化氧化反应生成乙酸,该反应的化学方程式为(共50张PPT)
第2课时 有机合成路线的设计
第3章
2021
素养目标
1.熟练逆推、正推的解题方法,掌握有机合成的分析方法。
2.知道有机合成路线设计的一般程序和方法,能对给出的有机合成路线进行简单的分析和评价,了解原子经济性等绿色合成思想的重要性,培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
课前篇 素养初探
必备知识
一、有机合成路线的设计
1.正推法
从确定的某种原料分子开始,逐步经过碳骨架的构建和官能团的引入或转化来完成。在这样的有机合成路线设计中,首先要比较原料分子和目标化合物分子在结构上的异同,包括官能团和碳骨架两个方面的异同;然后设计由原料分子转化为目标化合物分子的合成路线。
2.逆推法
从产物逆推原料、设计合理的合成路线的方法。在逆推过程中,需要逆向寻找能顺利合成目标化合物的中间有机化合物,直至选出合适的起始原料。如下图所示:
(1)用逆推方式确定原料分子示意图:
(2)绿色合成的出发点是:有机合成中的原子经济性,原料绿色化,试剂与催化剂的无公害性。
(3)逆推法设计有机合成路线的一般程序:
二、利用逆合成法设计苯甲酸苯甲酯的合成路线
1.合成路线的设计
2.合成方法的设计(设计四种不同的合成方法)
①
自我检测
1.判断下列说法是否正确,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)逆推法设计合成路线时往往先推出一些中间产物,然后逐步推出原料分子。( )
(2)取代反应、加成反应、加聚反应的原子利用率都为100%。( )
(3)有机合成反应要操作简单、条件温和、能耗低、易于实现。( )
√
×
√
2.按如图路线制聚氯乙烯,未发生的反应类型是( )
C2H5Br→CH2==CH2→CH2Cl—CH2Cl→CH2==CHCl→
A.取代反应 B.消去反应
C.加成反应 D.加聚反应
答案 A
解析 C2H5Br→CH2==CH2发生消去反应,CH2==CH2→CH2Cl—CH2Cl发生加成反应,CH2Cl—CH2Cl→CH2==CHCl发生消去反应,而CH2==CHCl→
发生加聚反应,整个合成过程中未发生取代反应,故选A。
课堂篇 素养提升
探究一
有机合成路线的设计
问题探究
1.某药物H的合成路线如下:
从碳骨架的构建和官能团的引入两个角度分析,每一步分别完成了什么任务 各步变化的设计目的是什么
提示 设计有机合成路线的基本思路:
对比 原料分子 目标分子 实现变化的措施
碳骨架 变化 苯环上无侧链 侧链上5个碳原子 先引入乙烯基,再通过加成反应引入溴原子,通过取代反应引入羟基,通过氧化反应转化为羧基,再发生取代反应引入酯基。再通过取代反应引入醛基,醛基与H2加成引入羟基,最后通过消去反应得到碳碳双键
官能团 变化 无官能团 、
2.有机合成遵循的原则是什么
提示 (1)起始原料要廉价、易得、低毒性、低污染。通常采用四个碳以下的单官能团化合物和单取代苯。
(2)应尽量选择步骤最少的合成路线。为减少合成步骤,应尽量选择与目标化合物结构相似的原料。步骤越少,最后产率越高。
(3)合成路线要符合“绿色、环保”的要求。高效的有机合成应最大限度地利用原料分子中的每一个原子,使之结合到目标化合物中,达到零排放。
(4)有机合成反应要操作简单、条件温和、能耗低、易于实现。
(5)要按一定的反应顺序和规律引入官能团,不能臆造不存在的反应事实。综合运用有机反应中官能团的衍变规律及有关的提示信息,掌握正确的思维方法。
深化拓展
1.有机合成设计的整体思路
(1)设计的关键
分析和设计有机合成路线时,考虑的关键是碳骨架变化和官能团的引入及转化。
(2)两个思路
一方面我们可以用考虑反应物性质的转化思路,另一方面可以用分析目标化合物结构逆推的转化思路,最佳的思路是二者融合在一起,效果更好。要熟练运用这两种思路的关键是熟练掌握常见官能团的结构、性质及转化关系。如
2.有机合成设计的分段思路
当难以直接引入官能团或使碳链变化时,应当考虑中间物质的设计,而选择中间物质时首先考虑卤代烃,它是有机化合物合成的“桥梁”、媒介物,但由于卤代烃的污染问题,则要尽可能采取无污染的物质代替。思考时可以将原料分子与目标化合物分子之间分解成几个片段,设计为几个有衍变关系的片段,即几种中间物质。
特别提醒常见有机物的合成路线
(1)一元合成路线:R—CH==CH2 一元卤代物→一元醇→一元醛→一元羧酸→酯。
(2)二元合成路线:CH2==CH2 二元卤代物→二元醇→二元醛→二元羧酸→酯(链酯、环酯、聚酯)。
素能应用
典例1(2020湖南株洲高二期中)化合物M是二苯乙炔类液晶材料的一种,最简单的二苯乙炔类化合物是 。以互为同系物的单取代芳香烃A、G为原料合成M的一种路线(部分反应条件略去)如下:
回答下列问题:
(1)A的结构简式为 。
(2)D分子中最多有 个碳原子共平面,与D化学式相同且符合下列条件的同分异构体有 种。
①与D具有相同的官能团,②苯环上有3个取代基。
(3)①的反应类型是 。
(4)⑤的化学方程式为 。
(5)参照上述合成路线,设计一条由苯乙烯和甲苯为起始原料制备
(1)根据上述分析可知,A为 。
(2)D为 ,苯环为平面结构、碳碳双键及碳原子所连的原子为平面结构,碳碳单键可以旋转,则D分子中所有的碳原子都可能共面,分子中最多有10个碳原子共平面。D的同分异构体与D具有相同的官能团且苯环上有3个取代基,苯环上的取代基分别为—CH3、—CH3、—CH==CH2,2个甲基有邻、间、对3种位置结构,对应的—CH==CH2分别有2种、3种、1种位置,故符合条件的同分异构体共有2+3+1=6种。
(3)根据上述分析可知,反应①为取代反应。
变式训练1乙酰水杨酸,又名邻乙酰氧基苯甲酸,是阿司匹林的主要成分,为白色晶体或粉末,略有酸味,易溶于乙醇等有机溶剂,微溶于水,是常用的解热镇痛药。下面是某化学小组利用逆推法设计乙酰水杨酸合成路线的过程。
(1)查阅资料:
通过查阅资料得知,以水杨酸为原料合成乙酰水杨酸的反应为
(2)实际合成路线的设计:
①观察目标分子——乙酰水杨酸的结构。
乙酰水杨酸分子中有两种典型的官能团,即 、 (填名称)。
②由目标分子逆推原料分子并设计合成路线。
首先考虑酯基的引入,由水杨酸与乙酸酐反应引入酯基;然后分别考虑水杨酸和乙酸酐的合成路线。其中,乙酸酐的合成路线为 。
(3)根据题给信息和所学知识,水杨酸可以有以下几种不同的合成路线:
优选水杨酸的合成路线:分析以上两种合成路线中较合理的是 ,理由是 。
答案 (2)①羧基 酯基
②CH2==CH2→CH3CH2OH→CH3CHO→CH3COOH→
(3)途径1 途径1原料易得,工艺相对简单,途径2过程复杂
探究二
有机合成的应用
问题探究
防治禽流感病毒是目前人类面临的一个重大课题。八角茴香属于草本植物,是我国民间常用的烹调香料。医学研究成果显示,从八角茴香中可提取到莽草酸,莽草酸有抗炎、镇痛作用,也是合成对禽流感病毒有一定抑制作
用的一种药物“达菲”的前体。莽草酸的结构简式为 。莽草酸分子中含有哪些官能团 可发生哪些类型的反应
提示 莽草酸分子中含—COOH、—OH和碳碳双键。可发生氧化反应、取代反应、加成反应及消去反应等。
深化拓展
有机合成的应用
(1)化工合成方面
人类已知的物质中绝大多数为有机化合物,其中大多数是由人工合成的。有机合成的许多药物、材料、催化剂,广泛地应用于农业、轻工业、重工业、国防工业等众多领域。
(2)化学基础研究方面
①研制新的、具有特定性能的物质;
②系统认识有机化合物的物理性质和化学性质;
③证实和检验有机化学的基本理论以及新反应、新方法。
素能应用
典例2氨是制造化肥和生产其他某些化工产品的原料,下列有关氨生产的三种化工产品的说法不正确的是( )
A.H2NCH2COOH是一种氨基酸
B.CO(NH2)2是首次由无机物人工合成的有机化合物
C.聚丙烯腈的单体为CH2==CHCN
D.上述流程涉及的反应中,氨气均为氧化剂
答案 D
解析 H2NCH2COOH是一种氨基酸,选项A正确;CO(NH2)2是首次由无机物人工合成的有机化合物,选项B正确;聚丙烯腈的单体为CH2==CHCN,选项C正确;题给流程涉及的反应中,生成 的反应中氨气不是氧化剂,选项D不正确。
变式训练2(2020江西南康中学高一月考)甲基丙烯酸甲酯是合成有机玻璃的单体。旧法合成的反应是:
①(CH3)2C==O+HCN→(CH3)2C(OH)CN
②(CH3)2C(OH)CN+CH3OH+H2SO4→CH2==C(CH3)COOCH3+NH4HSO4
新法合成的反应是:③CH3C≡CH+CO+CH3OH CH2==C(CH3)COOCH3
下列说法不正确的是( )
A.甲基丙烯酸甲酯有两种官能团
B.反应③符合绿色化学思想
C.反应②中CH3OH是CH2OHCH2OH(乙二醇)的同系物
D.反应①是加成反应
答案 C
解析 根据甲基丙烯酸甲酯的结构简式可知,该结构中有碳碳双键和酯基两种官能团,故A正确;反应③只有一种产物,所以符合绿色化学思想,故B正确;甲醇中含有1个—OH,乙二醇含有2个—OH,二者结构不相似,所以不属于同系物,故C错误;反应①属于加成反应,故D正确。
素养脉络
随堂检测
1.下列关于有机合成的几种说法不正确的是( )
A.有机合成的关键是目标化合物分子碳骨架的构建和官能团的引入
B.设计有机合成路线的方法有正推法和逆推法
C.逆推法设计合成路线时往往先推出一些中间产物,然后逐步推出原料分子
D.绿色合成思想只要求所有原料都转化为目标化合物
答案 D
解析 绿色合成思想要求有机合成的原子经济性,即在有机合成过程中应最大限度地利用每个碳原子,达到零排放;绿色合成思想还包括原料的绿色化和试剂、催化剂的无公害化。
2.在绿色化学工艺中,理想状态是反应物中的原子全部转化为目标产物,即原子利用率为100%。在下列反应中:①置换反应 ②化合反应 ③分解反应 ④取代反应
⑤加成反应 ⑥消去反应 ⑦加聚反应 ⑧乙烯在Ag做催化剂时被氧气氧化制环氧乙烷,原子利用率为100%的是( )
A.①②⑤ B.②⑤⑦⑧
C.只有② D.只有⑦
答案 B
解析 化合反应、加成反应、加聚反应、乙烯在Ag做催化剂时被氧气氧化制环氧乙烷的反应产物只有一种,原子的利用率达到100%,体现了原子经济性。
3.下面是有机合成的三个步骤:①对不同的合成路线进行优选 ②由目标化合物分子逆推原料分子并设计合成路线 ③观察目标化合物分子的结构,正确的顺序为( )
A.①②③ B.③②①
C.②③① D.②①③
答案 B
答案 D
解析 1,3-丁二烯和溴发生加成反应生成A,A发生反应生成B,B反应生成C,C反应生成2-氯-1,4-丁二酸,则生成A发生加成反应,A为
BrCH2CH==CHCH2Br,A发生取代反应生成B,则B为 ,B发生加成反应生成C,C为HOCH2CHClCH2CH2OH,C发生氧化反应生成2-氯-1,4-丁二酸,2-氯-1,4-丁二酸发生消去反应生成的D为NaOOCCH==
CHCOONa,D经酸化得到的E为HOOCCH==CHCOOH,E和甲醇发生酯化反应生成CH3OOCCH==CHCOOCH3,通过以上分析可知,B为 。
5.以氯乙烷为原料制取乙二酸(HOOC—COOH)的过程中,要依次经过下列步骤中的( )
①与NaOH的水溶液共热 ②与NaOH的乙醇溶液共热 ③与浓硫酸共热到170 ℃ ④在催化剂存在情况下与氯气反应 ⑤在Cu或Ag存在的情况下与氧气共热 ⑥与新制的Cu(OH)2悬浊液共热
A.①③④②⑥ B.①③④②⑤
C.②④①⑤⑥ D.②④①⑥⑤
答案 C
解析 采取逆合成分析法可知,乙二酸→乙二醛→乙二醇→1,2-二氯乙烷→乙烯→氯乙烷。然后再逐一分析反应发生的条件,可知C项设计合理。(共72张PPT)
第2节 有机化合物结构的测定
第3章
2021
素养目标
1.了解有机化合物结构测定的一般步骤和程序,能进行确定有机化合物分子式的简单计算,形成宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。
2.能利用官能团的化学检验方法鉴定官能团,培养证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
3.初步了解一些测定有机化合物结构的现代手段,懂得有机化合物结构测定是有机化合物合成的重要环节,培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
课前篇 素养初探
必备知识
一、有机化合物分子式的确定
1.测定有机化合物结构的流程
测定有机化合物结构的核心步骤是确定其分子式以及检测分子中所含的官能团及其在碳骨架上的位置。
2.元素组成的测定方法及步骤
3.测定有机化合物的摩尔质量
(1)可根据具体情况选择下面三个公式中的一个来确定。
M= ,M=22.4ρ标,M(A)=DM(B)(D为A对B的相对密度)
(2)质谱法。
质谱法是一种仅用几微克的样品就可以准确测出有机化合物的相对分子质量的方法,是目前常用的测定有机化合物相对分子质量的方法之一。
4.有机化合物分子式的确定
二、有机化合物结构式的确定
1.有机化合物分子不饱和度的计算
若有卤素原子,则视为氢原子;若有氧原子,则不予考虑;若有氮原子,则在氢原子总数中减去氮原子数。
(2)常见几种官能团的不饱和度:
化学键 不饱和度 化学键 不饱和度
一个碳碳双键 1 一个碳碳三键 2
一个羰基 1 一个苯环 4
一个脂环 1 一个氰基 2
2.确定有机化合物的官能团
(1)常见官能团的实验推断方法。
试剂 判断依据 可能的官能团
溴的四氯化碳溶液 橙红色溶液褪色 碳碳双键或碳碳三键
酸性KMnO4溶液 紫色溶液褪色
NaOH溶液(加热)、稀硝酸、AgNO3溶液 有沉淀产生 卤素原子
钠 有气体放出 醇羟基
FeCl3溶液 显紫色 酚羟基
溴水 有白色沉淀产生
银氨溶液(水浴) 有银镜生成 醛基
新制氢氧化铜悬浊液(加热) 有砖红色沉淀产生
NaHCO3溶液 有二氧化碳气体放出 羧基
(2)物理方法:通过红外光谱(IR)及核磁共振(NMR)等方法能快速准确地确定有机化合物分子的结构。
3.案例:某种医用胶的结构确定
(1)确定分子式。
①计算原子的物质的量:已知某种医用胶单体(含C、H、O、N四种元素)的样品质量为30.6 g,燃烧后实验测得生成70.4 g CO2、19.8 g H2O及2.24 L N2(已换算为标准状况)。
m(O)=30.6 g-m(C)-m(H)-m(N)=6.4 g,
n(O)=0.4 mol。
②确定实验式:N(C)∶N(H)∶N(N)∶N(O)=8∶11∶1∶2,则实验式为C8H11NO2。
③确定分子式:由质谱分析法测定出该样品的相对分子质量为153.0,结合该物质的相对分子质量,可知其实验式就是化学式。
(2)推导结构式。
①用化学方法推断官能团的种类。
加入(NH4)2Fe(SO4)2溶液、硫酸及KOH的甲醇溶液,无现象,说明样品分子中无硝基。
加入溴的四氯化碳溶液,橙红色溶液褪色。
加入强碱水溶液并加热,有氨气放出,说明样品分子中含有氨基。
②推测样品分子的碳骨架结构和官能团在碳链上的位置。
结合样品分子的核磁共振氢谱图和核磁共振碳谱图,可推测样品分子的官能团在碳链上的位置。
③确定结构简式。
自我检测
1.判断下列说法是否正确,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)红外光谱可以测量出化学键或官能团的种类,但不能测出化学键或官能团的个数。( )
(2)核磁共振氢谱中信号峰的数目代表的是氢原子的种类而非氢原子的个数。( )
(3)有机化合物的天然提取和人工合成往往得到的是混合物,研究有机混合物,一般要采取的几个步骤是:分离、提纯→确定实验式→确定化学式→确定结构式。( )
√
√
√
(4)某有机化合物在氧气中充分燃烧,生成的CO2和H2O的物质的量之比为1∶2,分子中一定含有氧原子。( )
(5)鉴别二甲醚和乙醇可采用质谱法。( )
×
×
2.某气态有机化合物X含C、H、O三种元素,已知下列条件,现欲确定X的分子式,所需的最少条件是( )
①X中含碳质量分数 ②X中含氢质量分数 ③X在标准状况下的体积 ④质谱图确定X的相对分子质量 ⑤X的质量
A.①② B.①②④
C.①②⑤ D.③④⑤
答案 B
解析 由C、H元素的质量分数可推知O元素的质量分数,由各元素的质量分数可确定X的实验式,由相对分子质量和实验式可确定X的分子式。
课堂篇 素养提升
探究一
确定有机化合物的元素组成及分子式
问题探究
1.
(1)如何判断有机化合物是否含有C、H、O等元素 如何通过实验进行检测
提示
将产物通过无水硫酸铜、澄清石灰水等检测水、二氧化碳等物质的生成,再结合有机化合物总质量,确定是否含有氧等其他元素。
(2)如何进一步确定该有机化合物中各元素的质量分数及其实验式
提示 利用氧化产物吸收法确定有机化合物实验式:
测定浓硫酸(吸收水)、碱石灰(吸收二氧化碳)等物质质量的变化。
2.如何计算有机化合物的相对分子质量
提示 相对分子质量在数值上与其摩尔质量相等,所以可用计算摩尔质量的方法计算相对分子质量。
3.实验式和分子式有何异同
提示 实验式(最简式)只是说明了物质中元素原子的物质的量之比,分子式说明了物质分子的具体组成;二者中各元素的质量百分比一定相同,可能不同的是原子的个数,但有些物质的实验式和分子式相同,如CH4。
深化拓展
确定有机化合物分子式的一般途径
(1)由分子中各元素质量分数及相对分子质量确定分子式。
解法1:分子中各元素原子个数为:
(2)由燃烧前后反应物和反应产物的质量及相对分子质量确定分子式。
设有机化合物分子式为CxHyOz,写出燃烧通式:
列比例式后求出x、y,再结合相对分子质量求出z。
(3)根据有机化合物的相对分子质量和通式确定分子式。
首先确定有机化合物的类别,写出其分子通式,如烷烃的通式为CnH2n+2,饱和一元醇的通式为CnH2n+1OH……然后结合相对分子质量求出n值。
(4)根据分子的平均组成及分子组成的通式确定分子式。
此法适用于混合物组成成分的推导。先求得混合物的平均组成CaHbOc(a、b、c不一定是正整数),若由两种物质组成,则该两种物质中C、H、O原子个数与平均组成中的a、b、c相比,应满足一大一小或均相等的条件。
(5)根据有机化合物的相对分子质量,利用商余法确定烃的分子式(商余法只适用于求烃的分子式)。
素能应用
典例1有机化合物A的相对分子质量大于110,小于150。经分析得知,其中C和H的质量分数之和为52.24%,其余为O。请回答:
(1)该化合物分子中含有 个氧原子。
(2)该化合物的摩尔质量是 。
(3)该化合物的分子式为 。
答案 (1)4 (2)134 g·mol-1 (3)C5H10O4
变式训练1燃烧3 g某有机化合物生成0.1 mol CO2和1.8 g H2O,该有机化合物的蒸气对H2的相对密度为30,则该有机化合物的分子式为( )
A.C2H4 B.C3H8O2
C.C2H6O D.C2H4O2
答案 D
解析 有机化合物完全燃烧生成CO2和H2O,说明该有机物肯定含C、H元素,可能含有O元素,由该有机化合物的蒸气对H2的相对密度为30,可得该化合物相对分子质量为2×30=60;则3 g该有机化合物为0.05 mol,含碳原子的物质的量为0.1 mol,则碳元素的质量为0.1 mol×12 g·mol-1=1.2 g,氢元素的质
探究二
确定有机化合物的结构式
问题探究
某有机化合物中含碳元素的质量分数为54.5%、含氢元素的质量分数为9.1%,其余为氧元素。用质谱法分析得知该有机化合物的相对分子质量为88。
1.写出该有机化合物的分子式。
2.若该有机化合物在水溶液中呈酸性,且结构中不含支链,求其核磁共振氢谱峰面积之比。
提示 若该有机化合物在水溶液中呈酸性,根据分子式C4H8O2可知,该有机化合物为饱和一元羧酸,且结构中不含支链,则为CH3CH2CH2COOH,其核磁共振氢谱峰面积之比为3∶2∶2∶1。
3.若实验测得该物质不能发生银镜反应,该有机化合物分子的红外光谱图(省略了相关数据)如下:
试推断该有机化合物的结构简式。
提示 该物质不能发生银镜反应,则不含醛基,根据红外光谱可知,该有机化合物含有不对称的—CH3、C==O、C—O—C,该有机化合物的结构简式可能是CH3COOCH2CH3、CH3CH2COOCH3、CH3COCH2OCH3。
深化拓展
确定有机化合物结构式的方法
(1)由分子式确定有机化合物结构式的一般步骤
其结构式的确定过程可表示如下:
(2)由分子式确定结构式的方法
有机化合物结构的测定,过去常通过利用有机化合物的化学性质,确定分子中所含的官能团,再确定其所在的位置,现代化学测定有机化合物的结构可用现代化的物理方法。
①化学法确定有机化合物的官能团。
官能团决定有机化合物的特殊化学性质,通过一些特殊的化学反应和反应的实验现象,我们可以确定有机化合物中含有何种官能团。
d.能发生银镜反应或能与新制的Cu(OH)2悬浊液反应的有机化合物必含有“—CHO”。
e.能与钠反应放出H2的有机化合物必含有“—OH”或“—COOH”。
f.能与Na2CO3或NaHCO3溶液反应放出CO2或使石蕊溶液变红的有机化合物中必含有—COOH。
g.能发生消去反应的有机化合物有醇、卤代烃。
h.能发生水解反应的有机化合物有卤代烃、酯、糖或蛋白质等。
i.遇FeCl3溶液显紫色的有机化合物必含有酚羟基。
②仪器法测定有机化合物的碳骨架和官能团。
现代化学测定有机化合物结构的方法比较多,经常采用红外光谱和核磁共振氢谱来确定碳骨架的结构和官能团。
a.红外光谱(CH3CH2OH)(省略相关数据)
b.核磁共振氢谱
下图是分子式为(C2H6O)的两种同分异构体的核磁共振氢谱。
CH3CH2OH
CH3OCH3
素能应用
典例2(2020安徽太和中学高二月考)肉桂酸甲酯(H)是常用于调制具有草莓、葡萄、樱桃、香子兰等香味的食用香精。它的分子式为C10H10O2,且分子中只含有一个苯环,苯环上只有一个取代基。利用红外光谱仪可初步检测有机化合物中的某些基团,现测得H分子的红外光谱如图所示:
试回答下列问题:
(1)肉桂酸甲酯(H)的结构简式为 。
(2)现测出A的核磁共振氢谱图有6组信号峰,且面积之比为1∶2∶2∶2∶1∶2。用芳香烃A为原料合成H的路线如下(部分反应物和反应条件已略去):
①F→G的反应类型是 。
②F的同分异构体较多,其中有一类可用通式 表示(其中X、Y均不为氢原子),试写出符合上述通式且能发生银镜反应的四种物质的结构简式: 。
解析 由A到H的转化结合肉桂酸甲酯的结构特点可知,A含有1个苯环、1个侧链,不饱和度为 =5,故侧链中含有1个碳碳双键,A的核磁共振氢谱图有6组信号峰,分子中含有6种H原子,其面积之比为1∶2∶2∶2∶1∶2,则各种H原子数目为1、2、2、2、1、2,苯环中有3种H原子,数目分别为1、2、2,故侧链有3种H原子,数目分别为2、1、2,故侧链中不含甲基,则A的结构简式为 。A与溴发生加成
反应生成的B为 , B发生取代反应生成C,结合C的
变式训练2已知某有机化合物A的红外光谱和核磁共振氢谱图如下图所示,下列说法不正确的是( )
未知物A的红外光谱
未知物A的核磁共振氢谱
A.由红外光谱可知,该有机化合物中至少有三种不同的化学键
B.由核磁共振氢谱图可知,该有机化合物分子中有三种不同的氢原子
C.仅由其核磁共振氢谱图无法得知其分子中的氢原子总数
D.若A的化学式为C2H6O,则其结构简式为CH3—O—CH3
答案 D
解析 由红外光谱可知,该有机化合物中至少有C—H、O—H、C—O三种不同的化学键,故A正确;由核磁共振氢谱图可知,该有机化合物有三种不同的氢原子,故B正确;根据核磁共振氢谱图中信号峰的个数和面积可知其氢原子种类和数目比,但无法得知其分子中的氢原子总数,故C正确;若A的化学式为C2H6O,根据红外光谱分析其中化学键种类至少有C—H、O—H、C—O,根据核磁共振氢谱得知其氢原子种类有3种,则其结构简式应为CH3CH2OH,故D错误。
探究三
有机化合物中常见官能团的检验
问题探究
乙醇、乙醛、乙酸、苯酚分别含有哪些官能团 如何通过官能团性质来鉴别乙醇、乙醛、乙酸、苯酚
提示 乙醇、乙醛、乙酸、苯酚含有的官能团分别为醇羟基、—CHO、—COOH、酚羟基。通过官能团检验这四种物质的方法和操作步骤如下:
步骤Ⅰ:向盛这4种溶液的试管中分别加入新制的氢氧化铜悬浊液,其中试管中溶液变澄清且为蓝色,则对应的物质为乙酸;
步骤Ⅱ:对剩余的3支试管进行加热,试管中产生砖红色沉淀的对应的物质是乙醛;
步骤Ⅲ:向另外两支试管中分别加入FeCl3溶液,其中溶液显紫色的对应的物质是苯酚;则剩余的是乙醇。
深化拓展
有机化合物的检验与鉴别的常用方法
(1)利用有机化合物的溶解性
通常是加水检验,观察其是否能溶于水。例如,用此法可以鉴别乙酸与乙酸乙酯、乙醇与氯乙烷、甘油与油脂等。
(2)利用液态有机化合物的密度
观察不溶于水的有机化合物在水中浮沉情况可知其密度相对于水的密度的大小。例如,用此法可鉴别硝基苯与苯、四氯化碳与1-氯丁烷等。
(3)利用有机化合物的燃烧情况
如观察是否可燃(大部分有机化合物可燃,四氯化碳和多数无机物不可燃);燃烧时黑烟的多少(可区分乙烷、乙烯和苯)。
(4)利用有机化合物中官能团的性质
思维方式:官能团→性质→检验方法的选择。
常见有机化合物的鉴别或检验:
物质 试剂或方法 现象与结论
饱和烃与 不饱和烃 加入溴水或酸性KMnO4溶液 使溶液褪色的是不饱和烃
苯与苯的 同系物 加酸性KMnO4溶液 使酸性KMnO4溶液褪色的是苯的同系物(与苯环直接相连的碳原子上有氢原子)
醛 加银氨溶液(加热);加新制Cu(OH)2悬浊液(煮沸) 有银镜生成;煮沸后有砖红色沉淀生成
醇 加入活泼金属钠 有气体放出
羧酸 加紫色石蕊溶液;加Na2CO3溶液 溶液显红色;有气体逸出
酯 闻气味;加稀氢氧化钠溶液 有水果香味(低级酯);检验水解产物
酚 加FeCl3溶液;加溴水 溶液显紫色;有白色沉淀生成
素能应用
典例3(2020山东济南章丘第四中学高二月考)下列实验设计所得结论可靠的是( )
A.将电石与水反应产生的气体通入酸性KMnO4溶液中,使溶液褪色的一定是乙炔
B.将溴乙烷与NaOH的乙醇溶液共热产生的气体通入酸性KMnO4溶液中,使溶液褪色的一定是乙烯
C.将溴乙烷与NaOH的乙醇溶液共热产生的气体通入溴水中,使溴水褪色的一定是乙烯
D.将苯、液溴、铁粉混合物反应产生的气体通入AgNO3溶液中有淡黄色沉淀产生,说明有HBr生成
答案 C
解析 生成的乙炔中可能混有硫化氢气体,硫化氢具有还原性,则气体通入酸性KMnO4溶液中,使溶液褪色的不一定是乙炔,选项A错误;乙醇易挥发,且能被酸性高锰酸钾溶液氧化,不能排除乙醇的影响,应先通过水除去乙醇,选项B错误;溴乙烷与NaOH的乙醇溶液共热发生消去反应生成乙烯,反应物和产物中只有乙烯使溴水褪色,则溶液褪色说明有乙烯生成,选项C正确;苯和液溴的反应中,挥发出的单质溴进入AgNO3溶液反应产生淡黄色沉淀,干扰了检验结果,选项D错误。
变式训练3(2020重庆九校联盟高二联考)下列鉴别方法不可行的是( )
A.用燃烧法鉴别乙醇、苯和四氯化碳
B.用酸性高锰酸钾溶液鉴别苯、己烯和己烷
C.用水鉴别乙醇、溴苯和甲苯
D.用碳酸钠溶液鉴别乙酸、乙醇和乙酸乙酯
答案 B
解析 乙醇燃烧有淡蓝色火焰,苯燃烧冒浓烟,四氯化碳不燃烧,现象不同,可鉴别,故A可行;苯、己烷均与高锰酸钾溶液不反应,分层现象相同,不能检验,故B不可行;乙醇与水互溶,甲苯与水混合后有机层在上层,溴苯与水混合后有机层在下层,则现象不同,可鉴别,故C可行;乙醇与碳酸钠溶液互溶,乙酸与碳酸钠溶液反应生成气体,乙酸乙酯与碳酸钠溶液分层,现象不同,可鉴别,故D可行。
素养脉络
随堂检测
1.(2020江西赣州高二线上检测)能够测定分子结构和化学键的方法是( )
①质谱 ②红外光谱 ③紫外光谱 ④核磁共振
A.①② B.③④
C.② D.①④
答案 C
解析 质谱仪可以测定分子的相对分子质量(质荷比最大处);红外光谱可以测定物质所含的化学键及官能团种类;核磁共振可以反映等效氢的种类及比值关系。
2.某有机化合物由碳、氢两种元素组成,其中含碳元素的质量分数为85.7%,在标准状况下,11.2 L此气态有机化合物的质量为14 g,则该有机化合物的分子式为( )
A.C2H4 B.C2H6
C.C3H6 D.C4H8
答案 A
3.某有机化合物6.4 g在氧气中完全燃烧,只生成8.8 g CO2和7.2 g H2O。下列说法正确的是( )
A.该有机化合物仅含碳、氢两种元素
B.该有机化合物中碳、氢原子个数比为1∶8
C.无法确定该有机化合物是否含有氧元素
D.该有机化合物中一定含有氧元素
答案 D
4.(2020安徽安庆高二期末)在核磁共振氢谱中出现两组峰,且信号峰面积之比为3∶1的化合物是( )
答案 A
5.(2020吉林白城通榆县第一中学高二月考)1 mol仅含C、H、O三种元素的有机化合物A在稀硫酸中水解生成1 mol B和1 mol C,B分子中N(C)∶N(H)=4∶5,135(1)C的分子式为 。
(2)B的分子具有高度对称性,苯环上的一氯取代物只有一种。B能与金属Na反应但不能与NaOH反应。写出B的结构简式: 。
(3)C有多种同分异构体,其中含苯环的酯类的同分异构体有 种。
解析 有机化合物A在稀硫酸中水解生成1 mol B和1 mol C,且B的分子具有高度对称性,苯环上的一氯取代物只有一种,说明B的苯环上有1种H原子,则B的取代基应相同,且分子对称,B能与金属Na反应但不能与NaOH反应,说明B中含有醇羟基,则C为酸,B中含有苯环,则C原子数应大于6,设B中含有8个C原子,则含有10个H原子,因结构对称,则至少含有2个—OH;如含有2个O原子,则相对分子质量为8×12+10+2×16=138,则符合135第3节 合成高分子化合物
第3章
2021
素养目标
1.了解高分子化合物的分类、组成与结构特点,能根据加成聚合反应产物的分子式确定单体和链节,形成证据推理与模型认知的化学学科核心素养。
2.能说明加成聚合反应和缩合聚合反应的特点,能列举常见高分子化合物的聚合反应并写出其反应的化学方程式。
3.知道高分子化学反应是合成某些特殊聚合物的方法,并能够实现高分子化合物的改性。知道高分子材料与高分子化合物的关系,了解几种功能高分子材料的特殊性能。培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
课前篇 素养初探
必备知识
一、高分子化合物
1.高分子化合物的相关概念
概念 内容 举例
高分子 化合物 由成千上万个原子以共价键连接形成的、相对分子质量很大(104~106甚至更大)的化合物,又称大分子化合物、高聚物、聚合物 CH2—CH2
单体 能用来合成高分子化合物的小分子化合物 CH2==CH2
链节 高分子化合物中化学组成和结构均可以重复的最小单位称为重复结构单元,又称链节 —CH2—CH2—
链节数 高分子链中重复结构单元数n又称为链节数 —
2.高分子化合物的分类
二、高分子化合物的合成——聚合反应
1.定义及分类
(1)定义:由小分子物质合成高分子化合物的化学反应称为聚合反应。
(2)分类:通常分为加成聚合反应和缩合聚合反应。
2.加成聚合反应
(1)反应特点
单体通过加成的方式生成高分子化合物的聚合反应,简称加聚反应。如聚异戊二烯的合成反应:
(2)单体的结构特点
含有 、—C≡C—等不饱和键。
(3)加成产物的特点
单体和高分子的组成相同,即元素的质量比、原子个数比相同。
3.缩合聚合反应
(1)反应特点
单体通过分子间的相互缩合而生成的高分子化合物的聚合反应。在缩聚反应过程中,还伴随有小分子化合物(如H2O、HX等)生成。如己二酸与己二胺的缩合反应可表示为
(2)单体的结构特点
单体分子中一般有两个能生成小分子的官能团,如羧基和羟基、氨基等。
(3)缩聚反应产物的特点
单体与高分子化合物的链节组成不同,相差脱去的小分子。
三、高分子化学反应
1.定义
有高分子化合物参与的化学反应。
2.应用
(1)合成带有某种特定功能或性质,或者是得到一种全新的高分子化合物,如纤维素的改性可以制得黏胶纤维、硝化纤维和醋酸纤维。
(2)合成不能直接通过小分子物质聚合而得到的高分子化合物,如可先制得聚乙酸乙烯酯,并使其与甲醇发生酯交换反应而间接制得聚乙烯醇。聚乙酸乙烯酯与甲醇发生反应的化学方程式为
(3)聚苯乙烯的磺化反应表示式如下:
3.降解
高分子化合物在力、热、光、化学物质、水或微生物等作用下降解,发生聚合度变小的反应。
四、合成高分子材料
以合成高分子化合物为基本原料,加入适当助剂,通常指填料、增塑剂、颜料、发泡剂等,经过一定加工过程制成的材料。
1.常见的合成高分子材料
(1)塑料
塑料通常是由树脂及各种助剂组成的。主要成分是树脂。
(2)涂料
涂料中最主要的成分是成膜物质,成膜物质一般是天然树脂或合成树脂。
(3)黏合剂
黏合剂是以各种树脂如酚醛树脂、脲醛树脂等为主要成分制成的。
2.功能高分子材料
除了具有一般高分子的力学性能外,还具有特殊物理、化学或生物等功能的高分子。一般在高分子链的主链、侧链或交联网络的内部或表面含有某种功能性基团。
(1)离子交换树脂
离子交换树脂是通过普通高分子化合物的化学反应制得的,最常用的树脂母体是苯乙烯与二乙烯基苯的交联聚合物。向聚合物中引入磺酸基(—SO3H)、羧基(—COOH)等基团,得到酸性的阳离子交换树脂,可与溶液中的阳离子进行交换反应。例如:
2R—SO3H+Ca2+ (R—SO3)2Ca+2H+
如果向聚合物中引入氨基(—NH2)、季铵基[R—N+(CH3)3]等基团,则得到碱性的阴离子交换树脂,可与溶液中的酸根离子进行交换。
(2)医用高分子
医用高分子材料可用于制作医疗部件或装置,也可用于诊断治疗或代替人体的组织和器官。医用高分子材料按照性能分为生物可降解型和非降解型两类。生物可降解型的医用高分子材料有可吸收缝合线、黏合剂、缓释药物等,当它们降解成小分子后可被生物体吸收或通过代谢而排出体外。例如,聚乳酸 就是一种可降解的医用高分子材料,它对人体有高度安全性并可被组织吸收。
自我检测
1.判断下列说法是否正确,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)氯乙烯、聚乙烯都是不饱和烃。( )
(4)乙烯和聚乙烯都能与溴的四氯化碳溶液发生加成反应。( )
(5)加聚反应和缩聚反应都可以由一种或几种单体发生反应生成聚合物。( )
×
×
√
×
√
2.下列合成有机高分子材料的化学方程式和反应类型都正确的是( )
答案 C
解析 根据加聚反应规律,可以知道丙烯腈通过加聚反应生成 ,故A错误;乙二酸与乙二醇发生缩聚反应得到聚乙二酸乙二酯,还应有小分子水生成,故B错误;两种单烯烃发生加聚反应,双键打开连接成高分子化合物,故C正确;苯酚与甲醛发生缩聚反应还应有小分子水生成,故D错误。
课堂篇 素养提升
探究一
常见聚合反应
问题探究
1.高聚物 由哪几种单体加聚得到
提示 高聚物 由苯乙烯和1,3-丁二烯两种单体加聚得到。
2.1 mol 在碱性条件下完全水解,消耗n mol NaOH,正确吗
提示 1 mol 在碱性条件下完全水解,1个链节消耗1个NaOH,则1 mol高聚物消耗 n mol NaOH,正确。
深化拓展
1.常见加聚反应的类型
(1)单烯烃的加聚
如乙烯的加聚:
(2)共轭二烯烃的加聚
共轭二烯烃单体加聚时,单体的两个双键中有一个键同时打开,单体之间直接连接形成含有一个新双键的链节而成为高分子化合物。
如1,3-丁二烯的加聚:
(3)单烯烃与共轭二烯烃共聚
单烯烃打开双键中的一个键,共轭二烯烃的两个双键中的一个键也同时打开,彼此相互连接,而共轭二烯烃又形成一个新双键。
如丙烯与1,3-丁二烯的加聚:
2.常见缩聚反应的类型
能发生缩聚反应的物质含有多种官能团(如—OH、—COOH、—NH2等),缩聚反应主要有如下几种类型:
(1)羧酸与醇缩聚
素能应用
典例1黏合剂M的合成路线如下图所示:
请完成下列填空。
(1)写出A和B的结构简式:
A ,B 。
(2)写出反应的类型:反应⑥ ;反应⑦ 。
(3)写出反应的条件:反应② ;反应⑤ 。
(4)反应③和⑤的目的是 。
(5)与C具有相同官能团的C的同分异构体共有 种。
答案 (1)CH3CH==CH2 CH2==CHCH2X(X为卤素原子)
(2)酯化反应(或取代反应) 加聚反应
(3)NaOH(或KOH)/H2O,加热 NaOH(或KOH)的乙醇溶液,加热
(4)保护碳碳双键
(5)4
解析 由B经反应②的产物含碳碳双键逆推得出A为丙烯(CH3CH==CH2),B为CH2==CH—CH2X(X为卤素原子)。由M的结构简式可知,M的单体是
CH2==CH—CONH2和CH2==CHCOOCH3。结合题图可推知C为CH2==CHCOOCH3,D为CH2==CH—CONH2。
CH2==CH—CH2OH含有碳碳双键、醇羟基,若只氧化醇羟基,需保护碳碳
CH2==CH—C≡N+H2O→CH2==CH—C(OH) ==NH→CH2==CH—CONH2(D)。
(3)反应②为卤代烃的水解反应,条件是强碱的水溶液,加热;反应⑤为卤代烃的消去反应,条件是强碱的乙醇溶液,加热。
(4)反应③是加成反应,反应⑤是消去反应,其目的是保护碳碳双键,避免其被酸性高锰酸钾溶液氧化。
(5)与C(CH2==CH—COOCH3)具有相同官能团的C的同分异构体应含碳碳双键和酯基,有
HCOOCH2CH==CH2、HCOO—C(CH3) ==CH2、HCOOCH==CHCH3、CH3COOCH==CH2,共4种。
典例2下列化合物中:a.HO(CH2)3COOH
b.HO(CH2)2OH c.CH3CH==CH—CN
d. e.HOOC(CH2)4COOH
(1)可发生加聚反应的化合物是 (填字母),生成的高聚物的结构简式为 。
(2)同种分子间可发生缩聚反应生成含酯基的高聚物的是 (填字母),生成的高聚物的结构简式为 。
(3)两种分子间可发生缩聚反应的化合物是 (填字母),生成的高聚物的结构简式为 。
解析 c分子结构中含有碳碳双键,所以可发生加聚反应;a分子结构中含有两个不同的可以在一定条件下发生反应的官能团,所以同种分子间可发生缩聚反应;b、e分子中均含有两个相同的官能团,且这两种官能团在一定条件下可以发生酯化反应,所以两种分子间可发生缩聚反应。
易错警示分子中含有碳碳双键或碳碳三键可发生加聚反应,碳氧双键不发生加聚反应。
A.全部 B.①②③⑤ C.①②③④ D.③⑤⑥
答案 B
变式训练2下列高聚物中,由两种不同的单体通过缩聚反应制得的是( )
A. CH2CH2CH2CH2
B. CH2CH==CHCH2
答案 D
解析 A、B、C三项中主链上只有碳原子,故为加聚产物,其中A项的单体是乙烯,B项的单体是1,3-丁二烯,C项是由1,3-丁二烯与苯乙烯共聚得到的;D项是由乙二醇和对苯二甲酸发生缩聚反应得到的。
探究二
推断高分子化合物的单体
问题探究
1.通过聚合物的链节可以写出聚合物的单体,你知道下面两种聚合物是由何种单体聚合成的吗 单体与链节有什么关系
提示 (1)CH2==CHCl;
(2)单体是合成高分子化合物的小分子,链节是高分子化合物中最小的重复结构单元;单体能独立存在,链节只能存在于高分子化合物中;单体发生聚合反应就生成链节。
2.含有两个官能团的单体缩聚后生成的缩聚产物呈线型结构,含有三个官能团的单体缩聚后生成的缩聚产物可能呈现什么样的结构呢
提示 含有三个官能团的单体缩聚后产生的高分子链间产生交联,可能形成体型(网状)结构。
3.如果一种聚合物是由缩聚反应得到的,在寻找它的单体时不但要看它的链节结构,还要分析它是通过哪一类有机化学反应缩合的。你能看出下列聚合物是由什么单体缩聚而成的吗
深化拓展
推断高分子化合物单体的一般步骤
(1)判断聚合物的类型。
①链节主链上全部是碳原子的聚合物,一般为加聚产物;
②链节主链上含有杂原子(如N、O等)的聚合物,一般为缩聚产物。
(2)推断聚合物的单体。
①加聚产物单体的推断方法:边键回合法。
a.凡链节的主链中只有两个碳原子(无其他原子)的聚合物,其合成单体必为
特别提醒运用上述方法找单体时,一定要先判断是加聚产物还是缩聚产物,然后运用逆向思维法逐步还原,准确判断单体的前提是熟练掌握加聚反应与缩聚反应的原理及方程式的书写。进行单体判断时,不要被书写方式迷惑,要注意到单键是可旋转的,同时要按照一般规律进行判断。
素能应用
典例3按要求回答下列问题:
(1)高分子化合物 是通过 (填“加聚反应”或“缩聚反应”)生成的,单体的结构简式为 。
(2)高分子化合物 是通过 (填“加聚反应”或“缩聚反应”)生成的,单体的结构简式为 。
变式训练3有下列高分子化合物:
其中由两种不同单体聚合成的是( )
A.③⑤
B.③④⑤
C.①②③⑤
D.②③④⑤
答案 B
解析 根据单体的判断方法分析可知,①的单体是苯乙烯;②的单体是2-氯-1,3-丁二烯;③的单体是苯酚和甲醛;④的单体是乙烯和丙烯;⑤的单体是对苯二甲酸和乙二醇,符合题意的有③④⑤,故选B。
素养脉络
随堂检测
1.(2020云南曲靖高二检测)下列物质,不属于高分子化合物的是( )
①甘油 ②油脂 ③纤维素 ④淀粉 ⑤有机玻璃 ⑥蛋白质 ⑦蔗糖 ⑧天然橡胶 ⑨2,4,6-三硝基甲苯 ⑩涤纶
A.①④⑦
B.①②⑦⑨
C.③⑤⑥⑩
D.②③⑦⑧
答案 B
解析 ①甘油分子式为C3H8O3,相对分子质量为92,不属于高分子化合物;②油脂是高级脂肪酸与甘油形成的酯,相对分子质量不大,不属于高分子化合物;③纤维素与④淀粉都属于天然有机高分子化合物;⑤有机玻璃化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯,是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的,属于人工合成高分子化合物;⑥蛋白质是由氨基酸缩聚形成的高分子化合物;⑦蔗糖属于二糖,相对分子质量较小,不属于高分子化合物;⑧天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯,由异戊二烯加聚形成,属于天然高分子化合物;⑨2,4,6-三硝基甲苯,相对分子质量不大,不属于高分子化合物;⑩涤纶属于人工合成的高分子化合物。综上可知,不属于高分子化合物的是①②⑦⑨。
2.PHB塑料是一种可在微生物作用下降解的环保型塑料,其结构简式为 。下面有关PHB塑料说法不正确的是( )
A.PHB塑料是一种聚酯
B.PHB塑料的单体是CH3CH2CH(OH)COOH
C.PHB塑料的降解产物可能有CO2和H2O
D.PHB塑料通过加聚反应制得
答案 D
解析 PHB塑料是CH3CH2CH(OH)COOH发生缩聚反应产生的物质,所以是一种聚酯,故A正确;PHB塑料的单体是CH3CH2CH(OH)COOH,故B正确;PHB塑料水解可得到CH3CH2CH(OH)COOH,CH3CH2CH(OH)COOH在微生物作用下的降解产物可能有CO2和H2O,故C正确;PHB塑料通过缩聚反应制得,故D错误。
3.下列合成高分子材料的化学方程式和反应类型均正确的是( )
答案 C
解析 A项中加聚反应产物结构简式应为 ,A项错误;苯酚与甲醛反应生成酚醛树脂属于缩聚反应,B项错误;乙烯与丙烯反应生成高分子化合物属于加聚反应,D项错误。
4.(2020河南安阳高二测试)下列有关功能高分子材料用途的叙述不正确的是( )
A.高吸水性树脂主要用于干旱地区抗旱保水、改良土壤、改造沙漠
B.离子交换树脂主要用于物质的分离和提纯
C.医用高分子材料可用于制造医用器械和人造器官
D.掺杂了碘的聚乙炔可用于制造绝缘体
答案 D
解析 高吸水性树脂可作保水剂,A项正确;离子交换树脂是带有官能团(有交换离子的活性基团)、具有网状结构、不溶于水的高分子化合物,主要用于物质的分离和提纯,B项正确;医用高分子材料可用于制造医用器械和人造器官,C项正确;掺杂了碘的聚乙炔属于导电高分子材料,可用于制造电子元件,D项不正确。
5.A是烃的含氧衍生物,还原A可生成醇B,氧化A可生成酸C。其中,由B、C经过缩聚反应可生成高分子化合物D,D的结构简式为
(1)B的名称为 。
(2)A的结构简式为 ;C的结构简式为 。
(3)D水解的化学方程式为 。
(4)B和C可合成环状有机化合物E,E的结构简式为 。
答案 (1)乙二醇
(2)OHC—CHO HOOC—COOH
解析 由高分子化合物D的结构简式可知,形成D的单体为HOCH2CH2OH和HOOC—COOH,由于B为醇,C为酸,故B的结构简式为HOCH2CH2OH,名称为乙二醇,C的结构简式为HOOC—COOH。A是烃的含氧衍生物,还原A可生成醇B,氧化A可生成酸C,则A为乙二醛,结构简式为OHC—CHO。D的结构中含有酯基,能发生水解反应,该反应的化学方程式为(共48张PPT)
微项目 改进手机电池中的离子导体材料
第3章
2021
——有机合成在新型材料研发中的应用
素养目标
1.通过设计手机新型电池中的离子导体材料,将研究材料性能问题转化为研究有机化合物的性质问题,聚焦有机化合物的功能基团,设计高分子化合物的分子结构,建立从化学视角分析、解决材料问题的思路和方法,培养科学探究与创新意识的化学学科核心素养。
2.合理应用逆推法和正推法设计有机材料的合成路线,并通过合成路线的选择和评价活动,体会官能团保护、“绿色化学”等思想,培养科学态度与社会责任的化学学科核心素养。
课前篇 素养初探
必备知识
1.锂离子电池工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无污染、循环寿命长。
2.电池放电时,外电路中电子由负极移动到正极,内电路中锂离子通过有机溶剂的传导从负极移动到正极,形成闭合回路;电池充电时,内电路中锂离子同样通过有机溶剂的传导从正极移动到负极。
3.酯基的存在能够很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性,醚键的存在对锂离子传导具有很好的效果。
4.有机溶剂应该性能稳定且为固态,具有交联结构的高分子能够满足这一要求。
5.通常利用与卤化氢加成再消去的方法进行碳碳双键的保护。
【微思考】 写出苯乙烯与丙烯酸甲酯共聚的化学反应方程式。
课堂篇 素养提升
探究一
设计手机新型电池中离子导体材料的结构
问题探究
某种锂离子电池的工作原理示意图
电池充电时负极与外电源的哪一极连接 电池充电时锂离子向哪移动
提示 电池充电时,负极与外电源的负极连接,正极与外电源的正极相连;充电时,电池为电解池,内电路中锂离子通过有机溶剂的传导从正极(阳极)移动到负极(阴极)。
深化拓展
离子导体中有机溶剂需同时具备溶解并传导锂离子的两种性能。酯基的存在能够很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性,醚键的存在对锂离子传导具有很好的效果。因此新型的有机溶剂应该是结构单元中有酯基和醚键的高分子。二缩三乙二醇丙烯酸酯与丙烯酸丁酯的共聚物做有机溶剂的基体,与锂盐复合形成良好的聚合物离子导体材料,推进了固态新型聚合物锂离子电池的发展。
素能应用
典例1(2020山东德州高三期末)2019年诺贝尔化学奖颁给了三位对锂离子电池发展有着巨大贡献的科学家。锂离子电池已广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等较多领域。
(1)锂元素在元素周期表中的位置为 。
(2)氧化锂(Li2O)是制备锂离子电池的重要原料,氧化锂的电子式为 。
(3)近日华为宣布,利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出了石墨烯电池,电池反应式为LixC6+Li1-xCoO2 C6+LiCoO2,其工作原理如图。
①石墨烯的优点是可提高电池的能量密度,石墨烯为层状结构,层与层之间存在的作用力是 。
②锂离子电池不能用水溶液作离子导体的原因是
(用离子方程式表示)。
③锂离子电池放电时正极的电极反应式为 。
④请指出使用锂离子电池应该注意的问题: 。(回答一条即可)
答案 (1)第2周期ⅠA族
(3)①范德华力(分子间作用力) ②2Li+2H2O==2Li++2OH-+H2↑
③Li1-xCoO2+xLi++xe-==LiCoO2 ④避免过充、过放、过电流、短路及热冲击,同时可使用保护元件等
解析 (1)Li是3号元素,其原子结构示意图为 ，
所以Li在元素周期表的位置为第2周期ⅠA族。
(2)Li2O是离子化合物,Li+与O2-之间通过离子键相结合,其电子式为
(3)①石墨烯的优点是可提高电池的能量密度,石墨烯为层状结构,在层内碳原子之间以共价键结合,在层与层之间存在的作用力是分子间作用力,也叫范德华力;②Li 是碱金属元素,单质比较活泼,易与水反应产生氢气,反应的离子方程式为2Li+2H2O==2Li++2OH-+H2↑,所以锂离子电池不能用水溶液作离子导体;③根据锂离子电池总反应方程式可知,锂离子电池在放电时,正极上Li+得电子变为LiCoO2,电极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe-==LiCoO2;④锂离子电池在使用时应该注意避免过充、过放、过电流、短路及热冲击,同时可使用保护元件等。
变式训练1固体离子导体依靠离子迁移来传导电流,Ag+可以在RbAg4I5晶体中迁移。下图是一种固体电池,空气中的O2透过聚四氟乙烯膜与AlI3反应生成I2,Ag和I2作用形成原电池。下列说法错误的是( )
A.I2在石墨上被还原
B.石墨电极为负极,银电极为正极
C.Ag+从负极向正极移动
D.银电极的电极反应式为
Ag-e-==Ag+
答案 B
解析 I2易得电子,在石墨电极上得电子被还原,A项正确;Ag和I2作用形成原电池,Ag为金属作负极,石墨为惰性电极作正极,故B项错误;原电池内部阳离子从负极向正极移动,C项正确;Ag作负极失去电子,电极反应式为Ag-e-==Ag+,D项正确。
变式训练2(2020北京首都师范大学附属中学高一期末)锂离子电池是一种生活中常见的二次电池,常用于手机、笔记本电脑、电动车等多个领域。锂离子电池主要依靠Li+在正极材料(LixCoO2)和负极材料(石墨)之间往返嵌入和脱嵌来工作。低温时,由于电解液黏度增大,电池中锂离子的迁移能力下降,低温充电时石墨嵌锂速度降低,Li+来不及嵌入石墨中形成LixC,便得到电子被还原,容易在负极表面析出金属锂,降低电池容量,影响电池安全。上海复旦大学开发了一款新型锂离子电池,其放电的工作原理如下图所示。该电池不仅在-40 ℃下放电比容量没有衰降,甚至在-70 ℃下该电池的放电比容量保持率也能够达到常温的70%左右,极大地拓宽了电池的应用范围。复旦大学团队采用凝固点低、可在极端低温条件下导电的乙酸乙酯基电解液,并采用不需要将锂离子嵌入电极中即可完成充、放电的有机化合物电极,避免了低温条件下嵌入过程变慢的问题。请依据材料内容回答下列问题。
(1)判断下列说法错误的是 (填序号)。
①新型锂离子电池有望在地球极寒地区使用。
②在传统锂离子电池中,金属锂是负极材料。
③若新型锂离子电池在常温下的放电比容量为99 mAh·g-1,则其在-40 ℃下的放电比容量为99 mAh·g-1。
(2)新型锂离子电池放电时,正极是 (填“A”或“B”)。
(3)下列关于该新型锂离子电池可耐低温的原因推测不正确的是
(填字母)。
a.采用与传统不同的有机化合物电极
b.乙酸乙酯基电解液的凝固点低
c.锂离子不需要在正负极间移动
答案 (1)② (2)A (3)c
解析 (1)①新型锂离子电池在-40 ℃下放电比容量没有衰降,在-70 ℃下电池的放电比容量保持率也能达到常温的70%左右,所以新型锂离子电池有望在地球极寒地区使用,故①正确;②传统锂离子电池中正极材料为LixCoO2,负极材料为石墨,Li+嵌入石墨中形成LixC,LixC失去电子,电池工作放电,故②错误;③电池在-40 ℃下放电比容量没有衰降,即新型锂离子电池在常温下和-40 ℃下的放电比容量相等,均为99 mAh·g-1,故③正确。
(2)原电池工作时,电解质溶液中阳离子移向正极,阴离子移向负极。由新型锂离子电池放电原理图可知,Li+由B电极移向A电极,TFSI-由A电极移向B电极,所以B电极为负极,A电极为正极。
(3)新型锂离子电池可能采用了快速完成充、放电的有机化合物电极,可避免低温条件下嵌入过程变慢的问题,以提高电池的放电比容量,故a正确;新型锂离子电池可能采用了极端低温条件下能导电的乙酸乙酯基电解液,可避免低温条件下嵌入过程变慢的问题,说明乙酸乙酯基电解液凝固点低,故b正确;锂离子电池主要依靠Li+在正极材料和负极材料之间往返嵌入和脱嵌来工作,Li+在正负极间移动能形成闭合回路,对外供电,故c不正确。
探究二
合成离子导体材料中有机溶剂的单体
问题探究
1.二缩三乙二醇二丙烯酸酯单体是如何获得的
提示 二缩三乙二醇二丙烯酸酯的合成:可以先合成二缩三乙二醇,然后与丙烯酸酯化。
2.丙烯酸丁酯单体是如何获得的
提示 合成路线:
(1)通过丙烯酸和正丁醇合成丙烯酸丁酯。
(2)通过1-溴丁烷和丙烯酸钠在一定条件下合成丙烯酸丁酯:
深化拓展
1.常见碳链成环的方法
(1)烯、炔烃的成环
①烯烃的氧化
②炔烃的成环
③双烯的成环
(2)烃的衍生物的缩合成环
①羟基和羟基成环
②羟基和羧基酯化成环
③羧基和羧基成环
④羧基和氨基成环
2.常见碳链开环的方法
(1)某些氧化反应,如某些含有碳碳双键的环状有机化合物被氧化可以生成链状有机化合物。
(2)某些水解反应,如环状的酯可以水解生成链状有机化合物。
3.官能团的保护
有机合成时,往往向有机化合物分子中引入多个官能团,但有时在引入某一个官能团时容易对其他官能团造成破坏,导致不能实现目标化合物的合成。因此,在制备过程中要把分子中的某些官能团通过恰当的方法保护起来,在适当的时候再将其转变回来,从而达到有机合成的目的。
(1)酚羟基的保护
因酚羟基易被氧化,所以在氧化其他基团前可以先使其与NaOH反应,把—OH(酚羟基)变为—ONa将—OH(酚羟基)保护起来,待氧化后再酸化将其转变为—OH(酚羟基)。
(2)碳碳双键的保护
碳碳双键也容易被氧化,在氧化其他基团前可以利用其与卤素单质、卤化氢等的加成反应将其保护起来,待氧化后再利用消去反应转变为碳碳双键。
例如,已知烯烃中 在某些强氧化剂的作用下易发生断裂,因而在有机合成中有时需要对其进行保护,过程可简单表示如下:
(3)氨基(—NH2)的保护
如在对硝基甲苯合成对氨基苯甲酸的过程中应先把—CH3氧化成—COOH,再把—NO2还原为—NH2。防止KMnO4氧化—CH3时,—NH2(具有还原性)也被氧化。
(4)醛基的保护
醛基可被弱氧化剂氧化,为避免在反应过程中受到影响,对其保护和恢复过程为:
在检验碳碳双键时,当有机化合物中含有醛基、碳碳双键等多种官能团时,可以先用弱氧化剂,如银氨溶液、新制Cu(OH)2悬浊液等氧化醛基,再用溴水、酸性KMnO4溶液等对碳碳双键进行检验。
素能应用
请写出A、B、C、D的结构简式:
A ,B ,C ,D 。
答案 (CH3)2COHCH2OH
CH2==C(CH3)COOH CH2==C(CH3)COOCH3
变式训练3聚甲基丙烯酸甲酯( )的缩写为PMMA,俗称有机玻璃。下列有关PMMA的说法错误的是( )
A.合成PMMA的单体是甲基丙烯酸和甲醇
B.聚甲基丙烯酸甲酯的分子式可表示为(C5H8O2)n
C.聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子合成材料
D.甲基丙烯酸甲酯[CH2==C(CH3)COOCH3]中碳原子可能都处于同一平面
答案 A
解析 聚甲基丙烯酸甲酯的单体为CH2==C(CH3)COOCH3,故A错误;由结构简式可知,聚甲基丙烯酸甲酯的分子式可表示为(C5H8O2)n,故B正确;聚甲基丙烯酸甲酯属于有机高分子合成材料,故C正确;甲基丙烯酸甲酯中 、
均为平面结构且直接相连,则分子中所有碳原子可能都处于同一平面,故D正确。
随堂检测
1.(2020广东佛山三水中学高二期中)有机玻璃的单体甲基丙烯酸甲酯的合成原理如下:
下列说法正确的是( )
A.若反应①的原子利用率为100%,则物质X为CO2
B.可用分液漏斗分离甲基丙烯酸甲酯和甲醇
D.甲基丙烯酸甲酯与H2反应生成Y,能与NaHCO3溶液反应的Y的同分异构体有3种
答案 C
丙烯酸甲酯与H2反应生成 ,能与NaHCO3溶液反应说明含有—COOH,故分子式为C4H9—COOH,因丁基存在4种结构,故能与NaHCO3溶液反应的Y的同分异构体有4种,D项错误。
2.(2020河北盐山中学高二考试)某高分子材料的结构如图所示:
。已知该高分子材料是由三种单体聚合而成的,以下与此高分子材料相关的说法正确的是( )
A.合成该高分子材料的反应是缩聚反应
B.形成该高分子材料的单体 中,所有原子可能处于同一平面内
C.三种单体中有两种有机化合物互为同系物
D.三种单体都可以使溴水褪色,但只有两种能使酸性高锰酸钾溶液褪色
答案 B
解析 由高分子材料的结构简式可知,合成该高分子材料的反应是加聚反应,故A错误;苯和乙烯都是平面分子,故苯乙烯中所有原子可能处于同一平面内,故B正确;合成该高分子材料的三种单体是CH3CH==CHCN、苯乙烯、苯乙炔,其中没有互为同系物的物质,故C错误;合成该高分子材料的三种单体CH3CH==CHCN、苯乙烯、苯乙炔都能使酸性高锰酸钾溶液褪色,故D错误。
3.锂离子电池已经成为新一代实用化的蓄电池,该电池具有能量密度大、电压高的特性。以下是锂离子电池放电时的电极反应式。
负极反应:C6Li-xe-==C6Li1-x+xLi+(C6Li表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料)
正极反应:Li1-xMO2+xLi++xe-==LiMO2(LiMO2表示含锂的过渡金属氧化物)
下列有关说法正确的是( )
A.锂离子电池放电时电池总反应式为LiMO2+C6Li1-x==C6Li+Li1-xMO2
B.锂离子电池充电时电池内部Li+向负极所连的电极移动
C.锂离子电池放电时电池内部阴离子流向正极
D.锂离子电池充电时阳极反应为C6Li1-x+xLi++xe-==C6Li
答案 B
解析 锂离子电池放电时是原电池,由所给电池正、负极反应式相加可得电池的总反应式为C6Li+Li1-xMO2==LiMO2+C6Li1-x,A错误;锂离子电池充电时是电解池,电池内部Li+向负极所连的电极移动,B正确;在锂离子电池放电时,电池内部的阴离子向负极移动,C错误;锂电池充电时阴极发生还原反应,生成锂的单质,与原电池的负极反应相反,阴极反应的电极反应式为C6Li1-x+xLi++xe-==C6Li,阳极发生氧化反应,应该是失电子,D错误。
