2023年高考化学诺贝尔奖热点《点击化学》复习备考素材整理及新编试题

2023年高考化学备考复习热点《2022年诺贝尔化学奖-点击化学》2022年诺贝尔化学奖授予美国化学家卡罗琳·贝尔托西（CarolynR.Bertozzi）、丹麦化学家摩顿·梅尔达尔（MortenMeldal）和美国化学家卡尔·巴里·夏普莱斯（K.BarrySharpless），以表彰他们在点击化学和生物正交化学研究方面的贡献。瑞典皇家科学院公布三位诺贝尔化学奖获奖者名单（图片来源：诺贝尔奖官网）

点击化学：用分子拼乐高

“点击化学”是个啥？“生物正交化学”又是在说什么？不必被陌生的词汇吓到，其实它们都是巧妙又实用的技术——就像拼乐高那样简单。把“clickchemistry”翻译成点击化学有点不好理解，Click其实描述的是那种把塑料积木或者插扣插到一起的感觉。简单说，点击化学就像是用分子来拼乐高：利用这种技术，可以像拼插积木那样简单高效地把小分子模块组合到一起，合成出人们所需要的化学分子。为了让普通的分子变成“可拼插积木”，研究者需要事先改造其化学结构，加入容易发生反应的“拼接插头”。点击化学（ClickChemistry）是由美国诺贝尔化学奖获得者、史格堡研究院（Skaggsinstitute）化学生物研究所的研究员贝瑞·夏普利斯（K.BarrySharpless）提出的一类反应。这类反应一般是高产率，应用范围广，生成单一的不用色谱柱分离的副产物，反应具有立体选择性，易于操作，反应溶剂易于除去。化学家们终于看到了希望，从此以后，不用精心设计繁杂的合成路线，而是用一种貌似拼搭乐高积木的方法，就可以得到自己的理想分子。比较有名的点击化学反应是由夏普莱斯、梅尔达尔分别独立开发出CuAAC点击反应（一价铜离子催化的Huisgen叠氮化物-炔烃环加成反应）来看CuAAC反应的机理：即CuAAC点击反应是一个经典的叠氮化物作为1,3偶极的环加成反应。其中，一价铜离子作为催化剂，相当于是连接两种分子的重要枢纽，起到很好的“点击链接”作用，好比用鼠标点击了下合成按钮一般。因此，特别提醒：叠氮化物、环加成反应及其机理，可能成为各类化学考试的重要考点！比较有名的点击化学反应是由夏普莱斯、梅尔达尔分别独立开发出CuAAC点击反应（一价铜离子催化的Huisgen叠氮化物-炔烃环加成反应）。来看一个合成实例：这里简单分析下，CuAAC点击反应是一个经典的叠氮化物作为1,3偶极的环加成反应（化竞同学不会感到陌生，没学过竞赛的同学可以用DA反应理解）。简单来说，一价铜离子作为催化剂，相当于是连接两种分子的重要枢纽，起到很好的“点击链接”作用，好比用鼠标点击了下合成按钮一般。类似地，很多环加成反应也是点击反应（化竞同学自行思考下机理吧）。（1）D-A反应（2）降冰片烯环加成反应（硝酮作为1,3-偶极的环加成）（3）异氰的环加成反应（[4+1]环加成反应）目前，点击化学的概念对化学合成领域有很大的贡献，在药物开发和分子生物学的诸多领域中，它已经成为目前最为有用和吸引人的合成理念之一。2021年浙江省高考化学试题ClickChemistry因其条件温和、选择性高而被广泛应用于制药和生物技术行业的生物偶联、生物标记和材料科学。点击化学反应可分为三类：(1)Cu(I)-催化的叠氮-炔点击化学反应(CuAAC)；(2)应变促进的叠氮-炔点击化学反应(SPAAC),它是生物相容的。(3)四嗪和烯烃（反式环辛烯）之间的连接。这种高速反应也不含铜，是体内细胞标记的理想选择。BroadPharm提供500多种具有广泛官能团的高纯度点击化学工具（试剂或试剂盒）：叠氮化物、炔烃、DBCO、TCO、四嗪、BCN……1.BCNBCN试剂是一类含有高活性BCN（双环[6.1.0]壬炔）基团的点击化学试剂（图1），BCN试剂可以通过无铜点击化学与叠氮化物标记的分子或生物分子反应。它可以在水性缓冲液或有机溶剂中运行，具体取决于底物分子的特性。带有PEG臂的试剂会增加化合物的亲水性。BCN试剂已广泛应用于生物偶联、标记和化学生物学。2.炔烃炔试剂可以通过铜催化的叠氮化物-炔烃点击化学与含叠氮化物的化合物或生物分子反应，以产生稳定的三唑键。3.叠氮化物叠氮化物点击化学是一种非常流行的化学，由于其条件温和、速度快和生物相容性好，被广泛应用于制药和生物技术领域。第一代叠氮点击化学是通过叠氮(N3)与炔烃（如炔丙基）在铜催化剂存在下反应形成稳定的三唑键而实现的。第二代叠氮化物点击化学通过叠氮化物分子与结构受限的炔烃（如DBCO（二苯并环辛炔）或BCN（双环[6.1.0]壬炔）轴承分子的反应）无需使用铜。叠氮化物官能团的吸引力在于其在大多数条件下的高选择性和稳定性。当由于稳定性有限而必须使用其他共轭官能团时，或者需要仔细控制变量（如pH值）以确保高产率反应时，这些特性尤其有用。4.DBCODBCO试剂是一类点击化学标记试剂，含有非常活泼的DBCO（（二苯并环辛炔）基团，DBCO试剂可以通过无铜点击化学与叠氮化物标记的分子或生物分子反应。该反应可以在水性缓冲液或有机溶剂中进行溶剂取决于底物分子的性质。带有PEG臂的试剂会增加化合物的亲水性。DBCO试剂已广泛应用于生物偶联、标记和化学生物学。5.TCOTCO点击化学是第三代点击化学，由于其速度快和生物相容性好，广泛用于标记和生物偶联。它是TCO（反式环辛烯）试剂和四嗪部分在逆电子需求狄尔斯阿尔德(IEDDA)反应中的反应，然后是逆向DA反应以消除氮气。6.四嗪四嗪试剂是一类含有反应性四嗪基团的点击化学标记试剂，四嗪试剂与TCO（反式环辛烯）在逆电子需求DielsAlder反应和逆DielsAlder反应中具有高反应性以消除氮气。这是在标记活细胞、分子成像和其他生物偶联应用中以低浓度进行生物偶联的非常快速的反应。7.点击反应配体铜(Cu(I))催化的叠氮化物-炔点击化学反应(CuAAC)的效率在很大程度上取决于铜离子Cu(+I)的存在。铜（I）离子容易被氧化和歧化，对活细胞也有细胞毒作用。带有叔胺和三嗪的配体可以稳定Cu(I)并加速反应。由于双正交性、低细胞毒性和反应速率，这些配体进一步扩展了CuAAC在化学生物学中的应用。

正交化学当然啦，最早一批惦记着点击化学的就是这次一同获得诺奖的贝尔托西。这位女士最大的贡献就是开创了正交化学。什么是正交化学？这是第二个问题。说白了，正交化学就是发生在生物体内的化学反应，但是和正常的生物化学反应井水不犯河水，基本上没什么影响。这种你走你的阳关道，我走我的独木桥的模式，套用数学上的术语就是“正交”。这个数学名词往化学里一掺和，我们普通人就晕了呗。过去贝尔托西一直在研究糖类，要知道，糖类也可以构成非常复杂的结构。她在研究一种聚糖如何引起免疫细胞吸引到淋巴结的时候遇到了困难，她缺乏对糖类示踪和定位的工具。过去，我们用同位素标记，可以追踪蛋白质和核酸的位置。就是把蛋白质或者是核酸里的某些原子替换成带放射性的同位素原子。这样只要测一次放射性，就知道这些原子在哪里，就可以追踪定位了。但是，这种实验是有风险的，毕竟放射性可不是闹着玩儿的，而且对实验室也有很高的要求，所以实用性不好。如果要追踪某个具体的蛋白，对不起那更是做不到，同位素标记是滚扫一大片。第二代跟踪技术就是利用荧光蛋白，这就是2008年诺奖的研究内容了。这种方法的好处是可以精确到某种蛋白质，所以就成了主流的办法了。蛋白质都是有自己的功能的，你倒好，把这个蛋白改成荧光蛋白了，改动太大，会影响到生物体内原本的正常功能，这就会对实验结果造成影响。那好啊，是不是可以把示踪的目标再选小一点，也就是缩小到分子级别，这种技术就是所谓的“单分子荧光成像技术”。这个技术已经拿过诺奖了。贝尔托西选了一大圈，发现没有一个适合她所研究的糖类。最后她想到了点击化学技术。她要在聚糖分子上装一个卡扣，也就是一个叠氮基团。这个基团非常小，也不影响原来分子的功能，也不会与细胞里的其他东西反生反应，井水不犯河水。这就是所谓的“生物正交”。那如何做到示踪呢？比如说在A物质上挂了一个卡扣，也就是一个叠氮基团，然后把A物质注射到小鼠的体内，随着新陈代谢开始在小鼠体内到处溜达。几天以后，再注射带有插头的荧光标记物B。B进去以后，自己去找A物质的插座，“咔嚓”一声插好了。插好了就可以发荧光了，这不就把A的分布情况给标记出来了嘛。贝尔托西遇到的麻烦是不能使用铜离子作为催化剂，因为铜离子对生物体是有毒性的。所以她研究出一种不依赖铜催化的化学反应，学名叫“应变促进的炔烃-叠氮化物环加成”。这个过程并没有干扰生物的正常生物化学反应，所以是标准的“正交化学”。你看，点击化学和正交化学是联合起来应用的。所以，诺奖也是一起拿，贝尔托西也是实至名归。细胞中间拼积木发生在反应瓶中的点击化学已经非常有用了，而另一位获奖者卡洛琳·贝尔托齐（CarolynBertozzi）则在一个更加厉害的地方进行了实践：她把反应搬进细胞环境，让它成为了一种研究细胞生理的有力手段。确切地说，她利用点击化学的思路给想要研究的细胞分子“拼接”上了一块人工标记。经过这样的化学改造，可以让原本难以追踪的分子变得很容易成像，或者也可以对它进行其他性质的改造。贝尔托齐为细胞上的聚糖分子加入荧光标记这项技术的厉害之处在于，贝尔托齐不仅完成了自己需要的化学反应，而且完全没有干扰细胞内原本发生的生理反应——这种不干扰生物的特性也就是获奖理由中提到的“生物正交化学”。典型试题1.“点击化学”是指快速、高效连接分子的一类反应，例如铜催化的Huisgen环加成反应：我国科研人员利用该反应设计、合成了具有特殊结构的聚合物F并研究其水解反应。合成线路如下图所示：已知：(1)化合物A的官能团是________。(2)反应①的反应类型是________。(3)关于B和C，下列说法正确的是________(填字母序号)。a．利用质谱法可以鉴别B和Cb．B可以发生氧化、取代、消去反应c．可用酸性高锰酸钾溶液检验C中含有碳碳三键(4)B生成C的过程中还有另一种生成物X，分子式为C3H6O，核磁共振氢谱显示只有一组峰，X的结构简式为_________。(5)反应②的化学方程式为_________。(6)E结构简式为________。(7)为了探究连接基团对聚合反应的影响，设计了单体K，其合成路线如下，写出H、I、J的结构简式：H________I_______J________(8)聚合物F的结构简式为________。【答案】(1).醛基和溴原子(-CHO、-Br)(2).取代反应(3).ab(4).(5).(6).(7).(8).(9).(10).或或【解析】本题为有机合成题。由合成路线图可知，A生成B的反应为取代反应，B生成C的反应为取代反应，根据信息提示可知C生成D的反应为取代反应，D为，D与NaN3发生取代反应生成E，结合题中E的分子式可推知E为；由E经F生成G正推，再由G经F到E逆推，可推知F为或或，E生成F的反应为取代和加聚反应，F生成G的反应为水解反应；【详解】由合成路线图可知，A生成B的反应为取代反应，B生成C的反应为取代反应，根据信息提示可知C生成D的反应为取代反应，D为，D与NaN3发生取代反应生成E，结合题中E的分子式可推知E为；由E经F生成G正推，再由G经F到E逆推，可推知F为或或，E生成F的反应为取代和加聚反应，F生成G的反应为水解反应；（1）化合物A的官能团是醛基和溴原子。本小题答案为：醛基和溴原子(-CHO、-Br)。（2）经上述分析可知反应①的反应类型是取代反应。本小题答案为：取代反应。（3）a.B中有5种有效氢，C中有4种有效氢，则可利用质谱法鉴别B和C，故a正确；b.B中含有醛基、碳碳叁键、羟基3种官能团，则B能发生加成、还原、氧化、取代、消去等反应，故b正确；c.C中含有醛基和碳碳叁键，均能与酸性高锰酸钾，使之褪色，故不能用酸性高锰酸钾溶液检验C中含有碳碳叁键，故c错误。答案选ab。（4）B生成C的过程中还有另一种生成物X，分子式为C3H6O，核磁共振氢谱显示只有一组峰，则X只有一种有效氢，为对称结构，则X的结构简式为。本小题答案为：。（5）根据已知信息提示可知，C生成D的反应方程式为。本小题答案为：。（6）由上述分析可知E的结构简式为。本小题答案为：。（7）根据合成路线，可采取逆推法，由K逆推J，J为；由J逆推I，I为，由I逆推H，H为。本小题答案为：；；。（8）由上述分析可知，聚合物F的结构简式为或或。本小题答案为或或。2.“点击化学”是指快速、高效连接分子的一类反应,例如铜催化的Huisgen环加成反应:我国科研人员利用该反应设计、合成了具有特殊结构的聚合物F并研究其水解反应。合成线路如下图所示:已知:(1)A生成B的反应类型是____。(2)关于B和C,下列说法正确的是____(填字母序号)。a利用核磁共振氢谱可以鉴别B和CbB不能发生消去反应c可用酸性高锰酸钾溶液检验C中含醛基(3)B生成C的过程中还有另一种生成物X,分子式为C3H6O,核磁共振氢谱显示只有一组峰,X的结构简式为___。(4)反应②的化学方程式为___。(5)请根据以上流程,并推测聚合物F所具有的特殊结构,下列关于聚合物F的结构说法正确的是___AF中必含-CH2=N-结构BF中必含-N=N-结构CF的结构可能是(6)H是比A多一个碳原子的同系物。H的同分异构体中符合下列条件的有___种。①苯环上有三个取代基②能和FeCl3发生显色反应(7)为了探究连接基团对聚合反应的影响,设计了单体K,其合成路线如下,写出H、I、J的结构简式:___[答案]取代反应a

B、C10H:;I:;J:[解析](1)对比A、B的结构可知,A中苯环上的溴原子被替代,属于取代反应。(2)B中有5种不同环境的H,C中有4种不同环境的H,可以用核磁共振氢谱鉴别,a正确;B中羟基所连碳原子的两个邻位碳原子上都有3个H,可以发生消去反应,b错误;C中的醛基和碳碳叁键都能使酸性高锰酸钾溶液褪色,c错误;答案选a。(3)B生成C过程中还有另一种生成物X,化学式为C3H6O,核磁共振氢谱显示只有一组峰,由C的结构可知X的结构简式为:。(4)由D的化学式可知C与脱去1分子水生成D,C中醛基与氨基反应生成-C=N,可推断出D为:,反应的化学方程式为:。(5)由聚合物F的水解产物中存在的五元环结构,可知E中的碳碳叁键、-N3发生加聚反应生成F,形成五元环结构,F的结构简式可能有下面几种:;;。据此可知B、C正确,A错误。(6)H的同分异构体能和FeCl3发生显色反应,说明苯环上连有一个羟基,H是比A多一个碳原子的同系物,说明苯环外面还有两个碳原子和一个溴原子,它的不饱和度为5,说明苯环外面有一个双键,另外苯环上有三个取代基,分析可知三个取代基为:(酚)羟基、溴原子、碳碳双键。而苯环上有三个不同的取代基共有10种结构。(7)醛基氧化生成H为:,由K的结构可知,H与发生取代反应生成I为:,I的羧基中的—OH被取代生成J,J的结构简式为:。3.“点击化学”是指快速、高效连接分子的一类反应，例如铜催化的Huisgen环加成反应：+。我国科研人员利用该反应设计合成了具有特殊结构的化合物F。合成线路如图所示：已知：++H2O⑴A的名称是________。C中官能团的名称是________。⑵反应④的反应类型为________。⑶有机物分子中的1个碳原子上连接4个不同的原子或原子团时，该碳原子称为手性碳原子。上述流程中，存在手性碳原子的有机物有________(填字母)。⑷反应③属于消去反应，反应③的化学方程式为________________。⑸芳香族化合物G与C互为同分异构体，G的苯环上只有两个对位的取代基，且其中一个取代基为乙烯基(CH2=CH—)。G分子中只有两种官能团，且1molG与足量银氨溶液发生银镜反应生成4molAg，则G的结构有________种，其中核磁共振氢谱图中只有7组吸收峰的结构简式为________________(写出一种结构即可)。【答案】(1).丁酮(2).羟基、醛基、碳碳三键(3).加成反应(4).BC(5).+(6).9(7).或或【解析】CH3CH2COCH3与HC≡CH发生加成反应生成B，B与发生取代反应生成生成C()，发生消去反应生成和，D发生“点击反应”生成E，E和CH3CH2COCH3反应生成F。【详解】⑴根据A与HC≡CH发生加成反应生成B及B的结构得到A为CH3CH2COCH3，名称是丁酮；C中官能团的名称是碳碳三键、羟基、醛基；故答案为：丁酮；羟基、醛基、碳碳三键。⑵从信息中可以得出反应④反应类型为加成反应；故答案为：加成反应。⑶BC中连羟基的碳原子上连接4个不同的原子或原子团，因此存在手性碳原子的有机物有BC；故答案为：BC。⑷反应③属于消去反应，反应③化学方程式为+；故答案为：+。⑸芳香族化合物G与C互为同分异构体，G的苯环上只有两个对位的取代基，且其中一个取代基为乙烯基(CH2=CH—)。G分子中只有两种官能团，且1molG与足量银氨溶液发生银镜反应生成4molAg，说明一种官能团是碳碳双键，另一种官能团是醛基且有2mol—CHO，，两个—CHO在正丙基的同一个碳上，有3种结构；一个—CHO在的1号碳，另外一个—CHO在2号位、3号位共2种；一个—CHO在的2号碳，另外一个—CHO在3号位共1种；，两个—CHO在异丙基的同一个碳上，有1种结构；，两个—CHO在异丙基的不同碳上，有2种结构；则G的结构有9种，其中核磁共振氢谱图中只有7组吸收峰的结构简式为或或；故答案为：9；或或。4.点击化学的代表反应为铜催化的叠氮-炔基Husigen环加成反应，NaN3、SO2F2、FSO2N2等均是点击化学中常用无机试剂。回答下列问题：(1)基态Cu原子价电子排布式为___________；基态N原子未成对电子有_______个。(2)F、O、N的电负性从小到大的顺序是___________。(3)SO2F2中硫原子价层电子对数目为___________；SO2F2的沸点比FSO2N3的低，其主要原因是___________。(4)NaN3是HN3的钠盐，下列有关HN3说法正确的是___________(填字母)。a．HN3分子呈直线型b．HN3分子间存在氢键c．HN3中氮原子杂化方式只有spd．HN3与HOCN互为等电子体(5)是一种叠氮-炔基Husigen环加成反应产物，每个该分子中含有___________个σ键。(6)CuBr是点击化学常用的催化剂，其晶胞结构如图所示，晶胞参数为apm。已知①、②号铜原子坐标依次为(0，0，0)、(，0，)，则③号溴原子的坐标为___________；设NA为阿伏加德罗常数的值，CuBr的密度为___________g·cm-3(列出计算式)。【答案】(1)3d104s13(2)N<O<F(3)4两者均为分子晶体，SO2F2的相对分子质量小，范德华力较弱(4)bd(5)19(6)(，，)【解析】(1)Cu是第29号元素，核外电子排布式为[Ar]3d104s1，属于洪特规则的特例，价电子排布式为3d104s1；N是第7号元素，核外电子排布式为1s22s22p3，未成对电子有3个；(2)同周期元素电负性从左到右依次增大，F、O、N的电负性从小到大的顺序是N<O<F；(3)SO2F2中硫原子价层电子对数=4+=4；SO2F2和FSO2N3都是分子晶体，分子晶体的熔沸点与分子间作用力有关，两物质的分子间作用力均为范德华力，相对分子质量越大，范德华力越大，熔沸点越高，故SO2F2的沸点比FSO2N3的低；(4)在HN3中，与氢相连的第一个N原子给出1个电子，第二个N原子给出两个电子，第三个N给出1个电子形成一个三中心四电子的大π键，故靠近H原子的第1个N是sp2杂化，第二个N原子是sp杂化，结构图为。a项，根据分析，HN3的各个原子不在同一条直线上，所以HN3分子不是直线形，a错误；b项，N的电负性强，对相邻分子的H有相互作用，分子间可以形成氢键，b正确；c项，根据分析，氮原子杂化方式有sp、sp2，c错误；d项，HN3与HOCN都是4原子，价电子总数均为16，是等电子体，d正确；故选bd；(5)单键均为σ键，双键中有一条σ键一条π键，苯环中每个C与C之间有一条σ键，每个C与H之间有一条σ键，中共有19条σ键；(6)①号Cu坐标为(0，0，0)，可认为是原