高中化学鲁科版 (2019)选择性必修3第3节 合成高分子化合物学案

第3节　合成高分子化合物

必备知识·素养奠基

一、高分子化合物概述

1.概念:一般是指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(简称高分子),又称大分子化合物(简称大分子)。由于高分子多是由小分子通过聚合反应生成的,也被称为高聚物,通常称为聚合物。

2.结构(以?CH2—CH2?为例)

例如:

说明:①一种单体聚合后形成的高分子化合物:结构单元数=聚合度=链节数。

②两种或两种以上的单体形成的高分子化合物:结构单元数=聚合度≠链节数

3.高分子化合物的分类

(1)葡萄糖、油脂、淀粉属于高分子化合物。 (　　)

提示:×。葡萄糖和油脂不属于高分子化合物。

(2)按照分子链的形状可将高分子化合物分为热塑性高分子和热固性高分子两类。 (　　)

提示:×。按照分子链的形状可将高分子化合物分为线型高分子、支链型高分子和体型高分子三类。而热塑性高分子和热固性高分子的分类标准为受热时的不同行为。

二、高分子化合物的合成——聚合反应

1.概念

由小分子物质合成高分子化合物的化学反应。

2.加成聚合反应

(1)概念:单体通过加成的方式生成高分子化合物的反应,简称加聚反应,反应过程中没有小分子化合物产生。

(2)例如

①;

②;

③。

3.缩合聚合反应

(1)概念:单体通过分子间的相互缩合而生成高分子化合物的聚合反应,简称缩聚反应。反应过程中伴随有小分子化合物(如水)生成。

(2)例如

nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOH+(2n-1)H2O

请将合成下列高分子材料所用单体的结构简式、反应类型填入相应空格内。

(1)天然橡胶的单体为____________________________, 

反应类型为______________。 

(2)锦纶的单体为__________________________________, 

反应类型为______________。 

(3)的单体为____________________________, 

反应类型为______________。 

提示:(1)　加聚反应

(2)H2N—(CH2)5—COOH　缩聚反应

(3)、　缩聚反应

三、高分子化学反应

1.概念:有高分子化合物参与的化学反应。

2.应用:可将已有的天然或合成高分子转变为新的高分子。

3.分类

(1)聚合度变大的反应

例如:聚丁二烯和苯乙烯混合。

(2)聚合度变小的反应

高分子化合物可以在力、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。

(3)聚合度不变的反应

例如:

①

②+nCH3OH

聚乳酸(PLA)是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物,原料来源充分而且可以再生。聚乳酸的生产过程无污染,而且产品可以生物降解,实现在自然界中的循环,因此是理想的绿色高分子材料。其主要成分的结构式为

。

(1)合成聚乳酸的反应属于哪类聚合反应?

提示:由乳酸通过聚合反应生成聚乳酸的同时,还生成水,因此属于缩聚反应。

(2)聚乳酸在自然界中是如何发生生物降解的?

提示:聚乳酸属于聚酯类物质,在自然界中可以水解生成小分子乳酸,进一步被氧化生成CO2和水,不会对环境产生影响。

四、合成高分子材料

1.基本组成

合成高分子材料是以合成高分子化合物为基本原料,加入适当的助剂,经过一定加工过程制成的材料,其中助剂通常指填料、增塑剂、颜料、发泡剂等。

2.常见的合成高分子材料

(1)三大合成材料:塑料、合成橡胶、合成纤维。

三大合成材料的主要成分是树脂,其是人工合成的、未经加工处理的任何聚合物的统称。

(2)生活中常见的合成高分子材料还有涂料、黏合剂与密封材料等。

3.功能高分子材料

(1)概念:是指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。

(2)制备方法:

①将功能性基团通过某种反应或作用连接到已有的高分子中。

②将含有功能性基团的单体进行聚合。

(3)常见功能高分子

①离子交换树脂

②医用高分子

某有机物X是一种性能优异的高分子材料,其结构简式为,被广泛应用于声、热、光的传感等方面。已知它是由HC≡CH、(CN)2、CH3COOH三种单体通过适宜的反应形成的。

由单体合成X时都经历了哪些反应?

提示:分别是加成反应和加聚反应。由X的结构简式可判断出它是加聚反应的产物,两种单体分别为NCCHCHCN和CH2CHOOCCH3,很显然前者是HC≡CH和(CN)2的加成产物,后者是HC≡CH和CH3COOH的加成产物。

关键能力·素养形成

知识点一　加聚反应和缩聚反应

1.加聚反应和缩聚反应的比较

2.加聚反应的常见类型

(1)单烯自聚型:分子内含有一个的烯烃及其衍生物发生的加聚反应。如

合成聚乙烯:nCH2CH2?CH2—CH2?

合成聚氯乙烯:nCH2CHCl

 (2)二烯自聚型:分子内具有共轭双键(CC—CC)的烯烃及其衍生物发生的加聚反应。如

合成顺丁橡胶:nCH2CH—CHCH2

?CH2—CHCH—CH2?

合成天然橡胶:

(3)两种及两种以上的单体共聚型:单体的双键彼此断开,相互连接形成高聚物。

如nCH2CH2+nCH2CH—CH3

3.缩聚反应的常见类型

(1)酸与醇缩聚。

+nHOCH2CH2OH

+(2n-1)H2O。

(2)氨基酸缩聚。

nH2N—CH2—COOH+(n-1)H2O。

(3)羟基酸缩聚。

nHO—CH2—COOH+(n-1)H2O。

(4)酚醛缩聚。

n+nHCHO+(n-1)H2O。

　【方法规律】加聚反应和缩聚反应的区别与判断

加聚反应和缩聚反应区分时主要是通过反应的产物情况进行分析,加聚反应的产物往往只有一种表示形式即只生成高聚物;缩聚反应的产物除了生成高聚物之外,还有小分子物质生成。

【思考·讨论】

(1)某高分子化合物A的结构片段如下:

合成该高分子化合物的单体是什么?合成该高分子化合物的反应属于哪类反应?

提示:由高分子化合物A的结构片段可以看出其链节为,则A的结构简式为,它应是通过加聚反应得到的高聚物,其单体是CH2CH—COOH。

(2)怎样通过高聚物的结构区别这两种聚合反应?

提示:缩聚产物一般链节主链上含有酯基、肽键等官能团或其残基,而加聚产物一般没有,但有时在链节侧链中会有以上基团。

【典例】(2019·北京高考)交联聚合物P的结构片段如图所示。下列说法不正确的是(图中表示链延长) (　　)

X为

Y为

A.聚合物P中有酯基,能水解

B.聚合物P的合成反应为缩聚反应

C.聚合物P的原料之一丙三醇可由油脂水解获得

D.邻苯二甲酸和乙二醇在聚合过程中也可形成类似聚合物P的交联结构

【解题指南】解答本题需要注意以下两点:

(1)根据产物是否有小分子判断是缩聚反应还是加聚反应;

(2)根据重复单位找单体。

【解析】选D。X为,Y为

,由P的结构片段可以看出,X与Y相连,构成酯基,聚合物P能发生水解反应,故A正确; 缩聚反应为单体经多次缩合而聚合成大分子的反应,该反应常伴随着小分子的生成,由P的结构片段可以看出,合成P的过程中伴随有小分子出现,会发生缩聚反应,故B正确;油脂是一种酯,在酸性条件和碱性条件下水解都可得到丙三醇,故C正确;由邻苯二甲酸和乙二醇的结构式可知,二者发生缩聚反应的产物为链式结构或环式结构,不能形成交联结构,故D错误。

【母题追问】(1)形成交联聚合物P的单体是什么?

提示:、

。

(2)写出对苯二甲酸和乙二醇形成高分子的化学方程式。

提示:+nHOCH2CH2OH

+(2n-1)H2O。

【迁移·应用】

1.用两种烯烃CH2CH2和RCHCHR作单体进行聚合反应时,产物中含有 (　　)

①?CH2—CH2?    　②

③

A.①②　　　　B.仅③　　　　C.②③　　　　D.①②③

【解析】选D。当两种烯烃进行加聚反应时,其产物既存在两者间的加聚产物(主产物),又存在自身间的加聚产物(副产物)。

2.医用化学杂志报告,用聚乙交酯纤维材料所制成的医用缝合线比天然高分子材料(如肠线)还好。前者的化学结构简式可表示为,它是由中间有机化合物聚合而成的。

(1)试推导聚乙交酯纤维的单体____________________________。 

(2)写出有关的化学反应方程式____________________________。 

【解析】(1)本题可采用逆推法。既然高分子聚合物是由单体缩去小分子形成的,观察聚合物的结构可知,原单体应为羟基酸。

(2)先由单体进行分子间脱水形成环酯,即中间有机物,再由中间有机物进一步形成高分子化合物。

答案:(1)HO—CH2—COOH

(2)2HO—CH2—COOH+2H2O,

【补偿训练】

(2020·三亚高二检测)下列反应不属于聚合反应的是 (　　)

A.n

B.+3HNO3+3H2O

C.nCH2CH2+nCH2CHCH3

D.nH2N—CH2COOH+nH2O

【解析】选B。聚合反应是由小分子化合物生成高分子化合物的反应,高分子化合物组成的表示方法一般用?　?表示。

“喷水溶液法”是一种使沙漠变绿洲的新技术,它先是在沙漠中喷洒一定量的聚丙烯酸酯水溶液,水溶液中的高分子与沙土粒子结合,在地表下30～50 cm处形成一个厚0.5 cm的隔水层,既能阻止地下的盐分上升,又有拦截、蓄积雨水的作用。

(1)聚丙烯酸酯有没有固定的熔沸点?

提示:聚丙烯酸酯属于混合物,没有固定的熔沸点。

(2)合成聚丙烯酸酯的反应属于加聚反应还是缩聚反应?

提示:聚丙烯酸酯的单体为丙烯酸酯,结构简式为

CH2CHCOOR,合成聚丙烯酸酯的反应属于加聚反应。

知识点二　聚合物单体的推断方法

1.加聚产物推断单体——半键还原法:每隔2个碳断一个键,再把两个半键还原为一个共价键。

(1)凡链节的碳链为两个碳原子的,其合成的单体为一种,如单体为。

(2)凡链节中无碳碳双键的,则链节中必为每2个碳原子分为一组,作为一个单体,如

单体为CH2CH2和

CH3CHCH2。

(3)链节中存在碳碳双键结构。

①主链节为四个碳原子且双键在中间的,其单体必为一种,将链节的单键和双键互换即得高聚物的单体。

如

单体:。

②若双键不在四个碳原子的中心,可能为烯烃和炔烃的共聚产物。如单体为和CH≡CH。

2.缩聚产物推断单体

【易错提醒】由高聚物推断单体的注意事项

由高聚物推断单体时,需要联系该高聚物的合成过程,若高聚物的主链上只有碳原子,没有其他的官能团,则是通过加成聚合得到的,用 “半键还原法”找出单体;若主链上有除了碳原子以外的“氧”原子“氮”原子或有其他的官能团,则是通过缩合聚合形成的。通过官能团找准断键位置,然后补上—H或—OH。

【思考·讨论】

(1)使用有机材料制成的薄膜,给环境造成的“白色污染”后果十分严重,我国研制成功的几种可降解塑料结构简式如下:

A.　    B.

C.

这几种塑料有良好的生物适应性和分解性,能自然腐烂分解。可降解塑料A、B、C对应的三种单体依次是什么?

提示:可降解塑料A、B、C都是由各自单体通过缩聚反应生成的,对应的三种单体依次是、、。

(2)通过聚合物的链节,可以看出聚合物的单体,你知道下面两种聚合物是由何种单体聚合成的吗?

提示:CH3—CHCH2　CH2CH—COOCH3

【典例】下列高聚物必须由两种单体加聚而成的是 (　　)

A.

B.

C.

D.

【解题指南】解答本题时要注意以下两点:

(1)通过高聚物的结构判断产生高聚物的反应类型。

(2)利用高聚物单体的判断方法推断出单体。

【解析】选C。A、B、C中的高聚物均为加聚产物,根据加成聚合反应单体的推断方法可推断:的单体为,的单体为

,的单体为和CH2CH—CHCH2;为缩聚产物,其单体为HCHO和。

【母题追问】(1)以上各选项中的高聚物,能使溴水因发生化学反应而褪色的是哪几项?

提示:B、C两项高聚物的链节中均含有碳碳双键,均可与溴单质发生加成反应而使溴水褪色,而D项高聚物的链节中存在酚羟基,故可与溴单质发生取代反应而使溴水褪色。

(2)高聚物的相对分子质量为多少?用其制备的材料是纯净物还是混合物?

提示:高聚物的链节为,链节的式量为42,所以的式量为42n。用其制备的材料是混合物,因为高分子化合物是由许多不同的高分子链组成。

【迁移·应用】

1.某高分子链如图所示,可用于合成该链的单体是 (　　)

①甘氨酸　　　②丙氨酸　　　③苯丙氨酸　　④谷氨酸

A.①②   B.③④   C.②③   D.①③

【解析】选D。分子中有肽键,单体通过缩聚反应形成高分子,该高分子肽键断裂,在—NH—上加氢,在上加羟基即得①③。

2.丁腈橡胶(),具有优良的耐油、耐高温性能,则合成丁腈橡胶的单体种类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.2种　加聚反应     D.3种　缩聚反应

【解析】选C。根据高聚物的链节特点判断应是加聚反应的产物,且单体有2种,分别为CH2CH—CHCH2和。

【补偿训练】

1.已知脲醛树脂的结构简式为,合成该物质的单体及合成该物质的反应分别是 (　　)

A.,加聚反应

B.,缩聚反应

C.,加聚反应

D.,加聚反应

【解析】选B。由结构简式可得出它的链节为,再由链节分析,它肯定不是由加聚反应生成的物质,是由缩聚反应生成的物质,

nHCHO+(n-1)H2O+。

2.某高分子材料的结构简式为,组成该化合物的单体可能为①　   ②CH2CH2

③　     ④CH2CHCH3　

⑤CH2CH—CHCH2

其中正确的组合是 (　　)

A.①②③　　B.①③④　　C.③④⑤　　D.②③⑤

【解析】选B。使用“断键再接”法,从最左端断开,则依次出现单键变双键、单键断开、双键成三键的情况,具体表示为　,得、CH3—CHCH2、单体。

课堂检测·素养达标

1.下列属于天然高分子化合物的是 (　　)

A.聚乙烯　　　B.淀粉　　　C.硝化纤维　　　D.油脂

【解析】选B。淀粉是天然高分子化合物。聚乙烯是合成高分子化合物。硝化纤维是纤维素与硝酸发生酯化反应的产物,在与硝酸反应中,纤维素的高分子链未被破坏,因而仍是高分子化合物。油脂是高级脂肪酸甘油酯,相对分子质量相对较小,且在其结构中没有出现重复的结构单元和聚合度,故不是高分子化合物。

2.下列高分子化合物对应的链节正确的是 (　　)

A.聚氯乙烯　ClCHCH2

B.聚苯乙烯　

C.聚异戊二烯　

D.聚丙烯　—CH2—CH2—CH2—

【解析】选C。聚氯乙烯的链节为;聚苯乙烯的链节为;聚丙烯的链节为。

3.某高聚物的结构简式为,下列分析正确的是 (　　)

A.它是缩聚反应的产物

B.其单体是CH2CH2和HCOOCH3

C.其单体为CH2CHCOOCH3

D.它燃烧后产生CO2和H2O的物质的量之比为1∶1

【解析】选C。根据该高聚物的结构简式可知,它是加聚反应的产物,其单体是CH2CHCOOCH3,A、B不正确,C正确;它燃烧后产生CO2和H2O的物质的量之比为4∶3,D不正确。

4.涤纶广泛应用于衣料和装饰材料。合成涤纶的反应如下:

涤纶+2nH2O下列说法正确的是(　　)

A.合成涤纶的反应为加聚反应

B.对苯二甲酸和苯甲酸互为同系物

C.1 mol涤纶与NaOH溶液反应,理论上最多可消耗2n mol NaOH

D.涤纶的结构简式为

【解析】选C。合成涤纶的反应为缩聚反应,选项A错误;结构相似、分子组成相差若干个“CH2”原子团的有机化合物互相称为同系物,但对苯二甲酸()和苯甲酸()相差CO2,不可能互为同系物,选项B错误;1 mol涤纶水解会产生2n mol羧基,与NaOH溶液反应,理论上最多可消耗2n mol NaOH,选项C正确;根据酸断羟基醇断氢,涤纶的结构简式为

,选项D错误。

5.某软质隐形眼镜材料为如图所示的聚合物,下列有关说法错误的是 (　　)

A.生成该聚合物的反应属于加聚反应

B.该聚合物的单体是丙酸乙酯

C.该聚合物分子中存在大量的—OH,所以具有较好的亲水性

D.该聚合物的结构简式为

【解析】选B。由该聚合物的部分结构单元可知其链节为,则该聚合物的单体为

,命名为甲基丙烯酸乙二酯。

6.(2020·济南高二检测)光敏性高分子是一种在彩电荧光屏及大规模集成电路制造中应用较广的新型高分子材料。其结构简式为

回答下列问题:

(1)已知它是由两种单体经酯化后聚合而成的,试推断这两种单体的结构简式________________、________________。 

(2)写出在(1)中由两种单体合成高聚物的化学反应方程式: _______________, 

________________。 

(3)对此高聚物的性质判断不正确的是________。 

A.在酸性条件下可以发生水解

B.此高聚物不能使溴水褪色

C.此高聚物可以使酸性KMnO4溶液褪色

D.此高聚物可与液溴发生取代反应

【解析】(1)由高聚物的结构简式可知,它相当于由聚合而成的,这种酯由单体CH2CHOH和制得。

(2)先写出CH2CHOH和发生酯化反应的化学方程式,再写出生成物发生加聚反应的化学方程式。

(3)由高聚物的结构简式可以看出,该高分子材料中含有和两种官能团,具有烯烃和酯类物质的性质。

答案:(1)CH2CH—OH　

(2)CH2CH—OH++H2O

n

(3)B