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高中化学苏教版 (2019)必修 第二册第三单元 人工合成有机化合物导学案
展开第三单元 人工合成有机化合物
[核心素养发展目标] 1.通过乙酸乙酯合成路线的分析,学会简单有机物合成的基本方法思路,初步形成绿色化学观念,培养“微观探析与模型认知”能力。2.知道常见的有机高分子化合物和三大合成材料,熟知加聚反应原理,认识有机合成化学对人类社会可持续发展的伟大贡献,培养宏观辨识及关注环境的社会责任。
一、常见有机化合物的合成
1.有机合成
有机合成是利用简单、易得的原料,通过有机反应制取具有特定结构和功能的有机物。
以乙烯为原料合成乙酸乙酯
(1)常规合成路线:
写出上述转化过程中发生反应的化学方程式:
①CH2==CH2+H2OCH3CH2OH,
②2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O,
③2CH3CHO+O22CH3COOH,
④CH3CH2OH+CH3COOHCH3COOCH2CH3+H2O。
(2)其他合成路线:
①
②
2.有机合成路线的选择
有机合成中要综合考虑原料来源、反应物利用率、反应速率、设备和技术条件、是否有污染物排放以及生产成本等因素,其基本原则为
→廉价、易得、低毒性、低污染。
↓
→符合“绿色、环保”,步骤尽可能少。
↓
→条件温和、操作简单、低能耗、易实现。
↓
→要符合反应事实,要按一定的反应顺序和规律引入官能团,不能臆造。
1.淀粉是常见原料,计划用淀粉为原料合成乙酸,请写出有关的路线图。
提示 淀粉葡萄糖乙醇乙醛乙酸。
2.合成聚丙烯腈纤维需先合成丙烯腈,它可由以下两种方法制备。
方法一:CaCO3→CaOCaC2CH≡CHCH2==CHCN[注:CaO+3CCaC2+CO↑,CaC2+2H2O===Ca(OH)2+CH≡CH↑];
方法二:CH2==CH-CH3+NH3+O2CH2==CH-CN+3H2O。
分析以上两种方法,在工业生产中,应选择哪种方法?为什么?
提示 方法二。方法一中由CaCO3→CaO和CaOCaC2时都需要高温,故方法一耗能大;方法一要四步才能完成,消耗原料多,工艺复杂,且使用了剧毒的HCN。
1.正误判断
(1)自然界存在的有机物已经很多了,不需要人工合成( )
(2)只要能合成有机物,原料和合成路线无关紧要( )
(3)为秉持绿色化学的理念,在有机合成中,尽量使用含水的溶剂作为反应介质( )
(4)制CH3CH2Cl时,选择CH3CH3和Cl2在光照条件下反应比乙烯和HCl加成更符合绿色化学思想( )
(5)乙烯是重要的工业原料,可通过加成、氧化、酯化反应三个步骤合成乙酸乙酯( )
答案 (1)× (2)× (3)√ (4)× (5)√
2.α甲基丙烯酸甲酯()是合成有机玻璃的重要原料。在工业上,α甲基丙烯酸甲酯是以丙酮、甲醇为原料,以氢氰酸、硫酸为主要试剂合成的,反应过程中有副产物硫酸铵生成,其合成流程为
+(NH4)2SO4
经过改进后的合成方法为
CH3C≡CH+CO+CH3OH
下列关于这两个合成路线的叙述不正确的是( )
A.两方法相比,第一种方法步骤多,而改进后的方法一步完成,所以优于前者
B.后一种方法符合化学合成的“原子经济”理念
C.前一种方法中的副产物硫酸铵可以加工成化肥
D.两种方法中的原料都无毒,所以符合绿色化学概念
答案 D
解析 第一种方法中经过三步,原子利用率不高,而后一种方法只有一步,原子利用率高,A正确;后一种方法产物只有一种,原子利用率为100%,符合“原子经济”理念,B正确;前一种方法中的副产物硫酸铵可以加工成化肥,(NH4)2SO4是一种常见的氮肥,俗称“硫铵”,C正确;第一种方法中的HCN,第二种方法中的CO都是有毒的原料,D错误。
3.A是一种重要的化工原料,部分性质及转化关系如下图:
请回答:
(1)D中官能团的名称是________。
(2)A→B的反应类型是________(填字母)。
A.取代反应 B.加成反应
C.氧化反应 D.还原反应
(3)写出A→C反应的化学方程式:________________________________________________。
答案 (1)羧基 (2)BD (3)CH2==CH2+H2OCH3CH2OH
二、有机高分子的合成
1.有机高分子化合物
(1)概念:相对分子质量高达几万乃至几百万的有机化合物,简称有机高分子。
(2)分类
①天然有机高分子,如淀粉、纤维素、蛋白质等。
②合成有机高分子,如塑料、合成纤维、合成橡胶(统称为三大合成材料)等。
2.有机高分子的合成方法——聚合反应
(1)加聚反应
①概念:含有碳碳双键(或碳碳三键)的相对分子质量小的有机物分子,在一定条件下,通过加成反应,互相结合成相对分子质量大的高分子的反应。
②实例
写出下列物质在一定条件下发生加聚反应的化学方程式:
a.乙烯制聚乙烯:nCH2==CH2CH2—CH2。
b.苯乙烯制聚苯乙烯:。
c.氯乙烯制聚氯乙烯:nCH2==CHCl。
(2)加聚反应产物相关概念
概念
含义
以CH2—CH2为例
单体
能合成高分子化合物的小分子物质
CH2==CH2
链节
高分子化合物中不断重复的基本结构单元
—CH2—CH2—
聚合度
高分子化合物中链节的数目
n
3.有机高分子合成领域研究和解决的课题
(1)对重要的通用有机高分子材料进行改进和推广。
(2)研制具有特殊功能的高分子材料。
(3)研制用于物质分离、能量转换的高分子膜。
(4)研制易分解的新型合成材料,防止“白色污染”。
1.写出下列物质加聚生成高分子化合物的化学方程式。
(1)
(2)
(3)CH2==CH2和CH2==CH-CH3 1∶1加聚
提示 (1)n
(2)
(3)nCH2==CH2+nCH2==CH—CH3
2.判断下列高分子化合物的单体。
(1)CH==CH,单体为________。
(2),单体为____________。
(3),单体为________________。
(4),单体为_____________________________。
(5),单体为___________________。
答案 (1)CH≡CH (2)CH3CH==CHCH3
(3)CH2==CHCN (4)CH2==CH2、 (5)
加聚反应产物单体的判断方法
方法一:弯箭头法(一边赶法),去掉[ ]和n,将链节中的一个键从左向右折叠,单变双,双变单,遇到碳超过4价则断开。
如维通橡胶―→―→CH2==CF2和CF2==CF—CF3。
方法二:单变双,双变单,超过四价则断开。
如:丁苯橡胶
―→―→CH2==CH—CH==CH2和。
1.正误判断
(1)蔗糖的相对分子质量很大,故蔗糖为高分子化合物( )
(2)乙烯和聚乙烯都能使溴的CCl4溶液褪色( )
(3)糖类、油脂和蛋白质都是天然的有机高分子材料( )
(4)含有碳碳双键的有机物小分子,可以通过加聚反应形成有机高分子化合物( )
(5)纯净的聚乙烯塑料为纯净物,因为它具有一定的分子组成( )
(6)天然橡胶的成分为聚异戊二烯(),合成该物质的小分子为CH2==CH2和CH2==CH—CH3( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)×
2.腈纶又名“人造羊毛”,其结构简式为,按要求回答问题。
(1)“人造羊毛”的链节为________,单体为________。
(2)实验测得“人造羊毛”的相对分子质量(平均值)为32 800,则该高聚物的聚合度n为________。
(3)工业上以乙炔和HCN为原料合成腈纶,合成路线如下:
CH≡CHCH2==CH—CN。
写出有关的化学方程式并注明反应类型:
①________________________________________________________________________;
②________________________________________________________________________。
答案 (1) CH2==CH-CN
(2)619
(3)①CH≡CH+HCNCH2==CH-CN,加成反应
②nCH2==CH-CN,加聚反应
解析 (1)高聚物 的链节为,单体为CH2==CH-CN。(2)高聚物的链节的化学式为C3H3N,式量为53,链节的个数也就是聚合度n,故n=≈619。
(3)根据反应流程,CH≡CH和HCN先发生加成反应生成CH2==CHCN,再发生加聚反应生成聚丙烯腈。
1.用乙炔(CH≡CH)为原料制取CH2Br—CHBrCl,可行的反应途径是( )
A.先加Cl2,再加Br2 B.先加Cl2,再加HBr
C.先加HCl,再加HBr D.先加HCl,再加Br2
答案 D
解析 CH≡CH与HCl反应可以生成CH2==CHCl,再与Br2加成即可生成目标产物CH2Br—CHBrCl。
2.已知有机化合物A只由C、H两种元素组成且能使溴水褪色,其产量可以用来衡量一个国家石油化工发展水平。A、B、C、D、E有如下关系:
则下列推断不正确的是( )
A.鉴别A和甲烷可选择使用酸性高锰酸钾溶液
B.D中含有的官能团为羧基,利用D物质可以清除水壶中的水垢
C.物质C的结构简式为CH3CHO,E的名称为乙酸乙酯
D.B+D―→E的化学方程式为CH3CH2OH+CH3COOHCH3COOC2H5
答案 D
解析 从题意可知A为乙烯,根据框图提示,B为乙醇,C为乙醛,D为乙酸,乙醇和乙酸反应生成乙酸乙酯,即为E物质。乙烯可以使酸性高锰酸钾溶液褪色,甲烷不可以,A选项正确;醋酸的官能团为羧基,可以与水垢的主要成分反应,B选项正确;化学方程式为CH3CH2OH+CH3COOHCH3COOC2H5+H2O,D选项错误。
3.人们在日常生活中大量使用各种高分子材料,下列说法正确的是( )
A.天然橡胶易溶于水
B.羊毛是合成高分子化合物
C.聚乙烯塑料是天然高分子材料
D.聚氯乙烯塑料会造成“白色污染”
答案 D
解析 聚氯乙烯塑料在自然界中难以降解会造成“白色污染”,天然橡胶、羊毛和聚乙烯塑料都是高分子材料,难溶于水,羊毛是天然高分子材料,而聚乙烯塑料是合成高分子材料。
4.(2020·哈尔滨第二中学高一检测)下列说法正确的是( )
A.乙烯通过聚合反应可得到高分子材料
B.聚丙烯的链节是-CH2-CH2-CH2-
C.碳纤维属于合成有机高分子化合物
D.聚乙烯塑料的老化是因为发生了加成反应
答案 A
解析 乙烯加聚得到的聚乙烯是高分子材料,A正确;聚丙烯是丙烯发生加成聚合反应生成的,结构单元是,B错误;碳纤维是一种含碳量在95%以上的新型无机非金属材料,C错误;聚乙烯分子中不含有碳碳双键,不能发生加成反应,D错误。
5.能在一定条件下发生加聚反应生成的单体是( )
A.氯乙烯 B.氯乙烯和乙烯
C. D.
答案 C
解析 此高分子化合物通过加聚反应生成,“单变双,双变单,超过四价则断开”,即单体为CH2==CCl—CH==CH2。
6.有机物A、B、C、D、E、F、G的转换关系如图所示:
已知1 mol A和1 mol HCl加成可得到B;1 mol A和1 mol H2加成可得到C,C常作水果催熟剂。据此回答下列问题。
(1)A的结构简式为__________________,C的结构简式为__________。
(2)以B为原料经过加聚反应所得的合成树脂的结构简式为______________。
(3)写出D和F生成G的化学方程式:______________________________________________。
(4)C在催化剂和加热的条件下跟O2发生反应也能制得F,该反应的化学方程式是_______________________________________________________________________________。
答案 (1)CH≡CH CH2==CH2
(2)
(3)CH3CH2OH+CH3COOHCH3COOCH2CH3+H2O
(4)CH2==CH2+O2CH3COOH
解析 (1)C常作水果的催熟剂,说明C为CH2==CH2,1 mol A和1 mol H2加成可得到乙烯,说明A为CH≡CH;由图中转化关系可知B为CH2==CHCl,D为CH3CH2OH,E为CH3CHO,F为CH3COOH,G为CH3COOCH2CH3。(2)CH2==CHCl通过加聚反应得到聚氯乙烯,反应的化学方程式为nCH2==CHCl。(3)乙酸和乙醇在浓硫酸和加热条件下反应生成乙酸乙酯。(4)CH2==CH2与O2在催化剂和加热条件下反应生成乙酸。
题组一 常见的有机化合物的合成
1.若按以下路线从乙烯合成乙酸乙酯:乙烯→醇→醛→酸→酯。则经历的反应类型应为( )
A.加成反应—氧化反应—氧化反应—酯化反应
B.氧化反应—加成反应—氧化反应—酯化反应
C.取代反应—氧化反应—氧化反应—酯化反应
D.加成反应—还原反应—氧化反应—取代反应
答案 A
解析 乙烯→醇:与水发生加成反应;醇→醛:氧化反应;醛→酸:氧化反应;醇+酸→酯:酯化(取代)反应。
2.制备乙酸乙酯的绿色合成路线之一为
下列说法不正确的是( )
A.M的分子式为C6H12O6
B.N的结构简式为CH3COOH
C.④的反应类型属于取代反应
D.淀粉与纤维素互为同分异构体
答案 D
解析 淀粉和纤维素的化学式都是(C6H10O5)n,但是两者的n值不相同,所以化学式不同,不是同分异构体,D选项错误;淀粉和纤维素水解的最终产物为葡萄糖(C6H12O6),A选项正确;葡萄糖在酒化酶的作用下发生发酵反应:C6H12O62CH3CH2OH+2CO2↑,乙醇通过下列催化氧化反应:CH3CH2OHCH3CHOCH3COOH,所以得到的N为乙酸,B选项正确;乙醇和乙酸发生酯化反应(本质是取代反应)生成乙酸乙酯,C选项正确。
题组二 有机高分子化合物及合成
3.丙烯是合成聚丙烯塑料的化工原料,反应的化学方程式为nCH2==CH-CH3―→,下列有关说法错误的是( )
A.丙烯通过加聚反应生成聚丙烯
B.丙烯和聚丙烯均能使酸性高锰酸钾溶液褪色
C.丙烯为纯净物,聚丙烯为混合物
D.聚丙烯的平均相对分子质量为42n(n为聚合度)
答案 B
解析 丙烯通过加聚反应生成聚丙烯,中的n不确定,因此聚丙烯为混合物,其平均相对分子质量为42n,故A、C、D正确;在聚丙烯中,不存在,故不能使酸性KMnO4溶液褪色,B错误。
4.(2020·山西康杰中学高一期末)科学家研制的一种使沙漠变绿洲的新技术,即在沙漠中喷洒一定量的聚丙烯酸酯与水的混合物,使其与沙粒结合,形成既能阻止地下的盐分上升,又能拦截、蓄积雨水的作用。下列对聚丙烯酸酯的叙述正确的是( )
①聚丙烯酸酯的单体的结构简式为CH2==CHCOOR
②聚丙烯酸酯没有固定的熔、沸点
③聚丙烯酸酯能发生加成反应
④合成聚丙烯酸酯的单体属于烯烃
A.③④ B.①②
C.①②③ D.①②③④
答案 B
解析 聚丙烯酸酯是由单体CH2==CHCOOR发生加聚反应得到的高分子化合物,在该高分子化合物中,聚合度不确定,故聚丙烯酸酯为混合物,无固定的熔、沸点。
5.下列有关高分子化合物的说法不正确的是( )
A.丙烯(CH3CH==CH2)在一定条件下加聚后可得聚丙烯:CH2—CH—CH3
B.某塑料可由CF2==CF2和CF2==CFCF3通过加聚反应制得
C.合成高分子的单体是CF2==CF2
D.一种全降解塑料O—CH(CH3)CH2O—CO可由和 CO2在催化剂作用下加聚生成
答案 A
解析 丙烯(CH3CH==CH2)在一定条件下加聚后可得聚丙烯:,故A错误。
6.丁腈橡胶()具有优良的耐油、耐高温性能,合成丁腈橡胶的原料是( )
①CH2==CH-CH==CH2 ②CH3-C≡C-CH3 ③CH2==CH-CN ④CH3-CH==CHCN
⑤CH3-CH==CH2 ⑥CH3-CH==CH-CH3
A.①③ B.③⑥
C.②③ D.④⑤
答案 A
解析 高分子化合物属于加聚产物,链节主链上存在碳碳双键结构,有6个碳原子,单体为两种。按如图所示断开
然后打开双键中的1个C—C,将半键闭合就得到高聚物单体:CH2==CH-CH==CH2和CH2==CH-CN,故选A。
7.某高分子化合物可表示为,下列有关叙述错误的是( )
A.该高分子化合物是通过加聚反应制得的
B.合成该高分子化合物的单体有3种
C.该物质能被酸性高锰酸钾溶液氧化
D.1 mol该物质最多可与1 mol H2发生加成反应
答案 D
解析 该高分子化合物是由、CH3—CH==CH2、CH2==CH2 3种单体经加聚反应制得;该高分子化合物中含有碳碳双键,能被酸性高锰酸钾溶液氧化;1 mol该物质中含有n mol碳碳双键,故可与n mol H2发生加成反应。
8.(2020·安徽阜阳一中高一检测)聚苯乙烯是日常生活中用途非常广泛的一种塑料,下列说法不正确的是( )
A.其单体为,经过加聚反应制得
B.链节为
C.平均相对分子质量为104n(n为聚合度)
D.是一种难降解的塑料,会造成环境污染
答案 B
解析 聚苯乙烯是由经过加聚反应生成,单体为,链节为,故A正确、B错误;聚苯乙烯链节的相对分子质量为104,故聚苯乙烯的平均相对分子质量为104n(n为聚合度),C正确;聚苯乙烯是一种难降解的塑料,会导致环境污染,故D正确。
9.(2020·辽宁期中)下列哪种物质不是的单体( )
A.
B.CH2==CH—CH3
C.CH≡CH
D.
答案 B
解析 该高分子化合物链节主链不含杂原子,属于加聚反应,主链上存在碳碳双键结构,有8个碳原子,单体有3种,按如图方式断开,,然后将半键闭合即可得到该高分子化合物的单体是、CH≡CH、。
10.1,4二氧六环是一种常见的有机溶剂。它可以通过下列合成路线制得:
已知:R—CH2—BrR—CH2OH,则A可能是( )
A.乙烯 B.乙醇
C.CH2==CH—CH==CH2 D.乙醛
答案 A
解析 根据最终产物可逆推出C为HO—CH2—CH2—OH,则结合信息知B为Br—CH2—CH2—Br,A为CH2==CH2。
11.(2020·山东昌乐二中月考)“不粘锅”是在内壁涂了一层聚四氟乙烯的金属锅,以下对聚四氟乙烯的叙述正确的是( )
A.它的单体不含碳碳双键
B.其中的C—F很稳定
C.它在没有水的时候容易燃烧
D.分子内支链繁多,互相缠绕,故而不粘食物
答案 B
解析 聚四氟乙烯的单体是四氟乙烯,化学式为CF2==CF2,含碳碳双键,A错误;F为最活泼的非金属元素,聚四氟乙烯中饱和键C—F很稳定,B正确;聚四氟乙烯俗称塑料之王,它耐酸碱,不易发生化学反应,出于食品安全考虑,制作锅具的内壁表面的材料不能轻易发生化学反应,即在没有水的时候也不容易燃烧,C错误;四氟乙烯只有一条主链,且只有一个双键,发生了加聚反应之后,就没有不饱和键来发生交联反应,所以不会有支链缠绕,D错误。
12.某有机物能水解生成两种有机物,还能通过加聚反应生成高分子化合物,这种有机物的结构中一定具备的基团有( )
①R— ②—OH ③ ④—COOH ⑤ ⑥
A.①③④ B.①③⑤
C.②③④ D.③④⑥
答案 B
解析 能水解应具备酯基(),能加聚应具备碳碳双键,组成该有机物还应有烃基。
13.某高分子化合物结构如下:
其单体可能是( )
①CH2==CH-CN ②CH2==CH2 ③CH2==CH-CH==CH2 ④
⑤ ⑥CH2==CH-CH2-CH3
A.①③⑤ B.②③⑤
C.①②⑥ D.①③④
答案 A
解析 根据“见双键,四个碳;无双键,两个碳”划线断开,则该聚合物按照如下断键方式断裂:,断键后将半键闭合,即将单双键互换,得到的单体为CH2==CHCN、CH2==CH-CH==CH2和,则A项正确。
14.某实验小组设计的糖厂甘蔗渣利用方案如下图所示:
其中:A能催熟水果,B是高分子化合物,D是有水果香味的物质。请回答以下问题:
(1)“C6H12O6” 所示物质的名称是________;A的结构简式为________;C中官能团的名称为________。
(2)写出下列转化的化学方程式并指出反应类型:
CH3CH2OH―→CH3CHO:________________________________________________________,
反应类型为________。
(3)下列说法正确的是________(填字母)。
A.目前生产A的主要方法是石油的裂解,其产量是衡量一个国家石油化工水平的标志之一
B.分馏石油得到的各个馏分为纯净物
C.动物的脂肪在酸性条件下水解可以得到肥皂的主要成分
D.塑料、合成橡胶、合成纤维、淀粉都是高分子化合物
答案 (1)葡萄糖 CH2==CH2 羧基
(2)2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O 氧化反应
(3)AD
解析 (1)根据以上分析可知“C6H12O6”所示物质的名称是葡萄糖;A是乙烯,其结构简式为CH2==CH2;C是乙酸,其中官能团的名称为羧基。
(2)CH3CH2OH发生催化氧化生成CH3CHO,化学方程式为2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O。
(3)目前生产乙烯的主要方法是石油的裂解,其产量是衡量一个国家石油化工水平的标志之一,A正确;分馏石油得到的各个馏分仍然为混合物,B错误;动物的脂肪在碱性条件下水解可以得到肥皂的主要成分,C错误。
15.(2020·日照高一检测)聚四氟乙烯的耐热性和化学稳定性都超过其他塑料,甚至在“王水”中也不发生变化,故号称“塑料王”,在工业上有着广泛的用途。
(1)按照下列所示的合成路线,试在方框中填入合适的化合物的结构简式:
ABCD
(2)写出下列化学方程式:
B→C:________________________________________________________________________。
C→D:________________________________________________________________________。
(3)聚四氟乙烯的链节为________,单体为__________,四氟乙烯生成聚四氟乙烯的反应类型为________。
答案 (1)CHCl3 CHClF2 CF2==CF2
CF2-CF2 (2)2CHClF2CF2==CF2+2HCl nCF2==CF2CF2-CF2
(3)-CF2-CF2- CF2==CF2 加聚反应
16.2丁烯(CH3CH==CHCH3)是石油裂解的产物之一,是一种重要的有机化工原料,按要求回答下列问题:
(1)在催化剂作用下,2丁烯与溴水反应的化学方程式为
________________________________________________________________________,
反应类型为____________________,由2丁烯在一定条件下合成一种高分子化合物的化学方程式为__________________________________________,反应类型为____________。
(2)烯烃A是2丁烯的一种同分异构体,它在催化剂作用下与氢气反应的产物不是正丁烷,则A的结构简式为________;A分子中能够共平面的碳原子个数为______,A与HBr发生加成反应生成两种结构的一溴代物,它们的结构简式分别为________和________。
答案 (1)CH3CH==CHCH3+Br2―→ 加成反应
nCH3CH==CHCH3 加聚反应 (2) 4
解析 (1)2丁烯和Br2发生加成反应生成,2丁烯在一定条件下加聚反应生成。
(2)烯烃A为,根据乙烯分子中6个原子在同一平面上,则烯烃A中4个碳原子均在同一平面上。因为分子中“”不对称,与溴化氢发生加成反应的产物为两种,分别为和。
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