高中化学 专题三 让有机反应为人类造福 第四单元 有机高分子合成学案 苏教版选修2-苏教版高二选修2化学学案

第四单元有机高分子合成1．了解有机高分子化合物的结构特点和基本性质，认识有机合成材料的发展以及其对国民经济发展和现代科学的进步所起的重要作用。2．认识天然橡胶的组成，知道硫化橡胶的结构和性能特点，了解合成橡胶的性能、合成和用途。3．知道塑料的主要成分，了解常见合成树脂的组成、性能和合成反应。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。一种新的会呼吸的RGP隐形眼镜，正在国内悄悄地流行。越来越多的人开始认识RGP，了解RGP，戴上了RGP。会呼吸的RGP隐形眼镜的问世，可以说是近视者的一大福音，是隐形眼镜史上的创世纪突破。RGP是硬性透气性角膜接触镜，被称为“会呼吸的角膜接触镜”，是卫生部十年百项推广项目之一。RGP有什么特点？透氧性高、安全性好、一定的硬度和弹性、光学性能好、对青少年近视的加深有一定控制作用、对不规则散光，外伤引起的散光矫正效果好，早中期圆锥角膜的治疗，对高度近视、高度散光矫正效果好。思考：角膜接触镜的主要成分是什么？提示：角膜接触镜基本上可分为两类：硬质镜片和软质镜片，主要成分是高分子化合物。硬质镜片由聚甲基丙烯酸甲酯或醋酸纤维素丁酯制成；软质镜片由羟乙基丙烯酸甲酯与其他种类塑料混合成型。硅胶作为半硬性材料也可做成透气性良好的接触镜。一、高分子化合物1．高分子化合物的基本性质高分子化合物的相对分子质量很大、结构复杂、具有不同于小分子化合物的物理性质、化学性质和力学性能。高分子化合物一般难溶，甚至不溶，其溶液的黏度比同浓度的小分子高得多。高分子化合物一般只有液态和固态，不能汽化，固体高分子化合物具有一定的力学强度，可以抽丝或制成薄膜。2．高分子化合物的结构特点高分子链的几何形状大致有三种：线型、支链型、体型。高分子链与链之间的排列和堆砌结构也比较复杂。不同种高分子化合物之间的结构差异导致了其性能的差异。现在，人们主要通过聚合反应合成功能各异的高分子物质。二、天然橡胶与合成橡胶1．天然橡胶(1)来源与加工。天然橡胶是从橡胶树或者橡胶草的汁液中提炼而来的。从橡胶树身上割取的白色胶乳是橡胶分散在水里形成的胶体。在胶乳中加入少量醋酸，或用植物燃烧熏烤，胶乳就会凝固成具有弹性的黄色固体——生橡胶。把生橡胶和硫黄共同加热，可以得到受热不黏，遇冷不脆，强度和弹性也大为增强的硫化橡胶。(2)用途。由于橡胶的高弹性、电绝缘性、防水性和不透气性，它被广泛应用于工农业、国防和日常生活中。(3)结构和性质。天然橡胶加热分解只生成异戊二烯，该分子的结构简式为____________。天然橡胶是由许多蜷曲的线型高分子组成的，高分子链节中含有碳碳双键。天然橡胶的结构简式为___________________。聚异戊二烯长链分子相互缠绕在一起，就像一团乱毛线，当外界用力拉压时，相互缠绕着的线型分子就会被拉长或压缩，当外力取消时，又会恢复原状，这是因为生橡胶有一定的弹性。但它的制品因遇冷变脆，受热发黏，易形变等而难以应用。在硫化处理过程中，生橡胶分子结构发生了变化，硫原子深入到线型高分子之间，使线型分子链间多处发生交联，形成网状体型结构的硫化橡胶。在硫化过程中还可以加入一些炭黑之类的填充剂和防老化剂。2．合成橡胶人们在充分认识天然橡胶后，经过逐步研究，通过化学方法合成了多种性能优越的合成橡胶，如顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、聚硫橡胶、乙丙橡胶等。三、合成树脂1．塑料塑料的主要成分是合成树脂。目前应用比较广泛的塑料如下：(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．由加聚反应合成树脂(1)均聚：只由一种单体加聚生成高分子化合物，这样的反应称为均聚。(2)共聚：由两种或两种以上的单体聚合生成高分子化合物的反应，称为共聚。共聚通常兼有各个单体所形成的聚合物的优点，从而可以改进合成高分子的性能，类似于金属材料的“合金化”。3．由缩聚反应合成树脂用于制造玻璃钢、电木塑料的酚醛树脂是人类合成的第一种高分子材料，至今仍被广泛使用。它是甲醛和苯酚在催化剂作用下反应生成的。在盐酸(或氨水)的催化作用下，每个甲醛分子中的氧原子与苯酚分子中羟基邻位(或邻位与对位)上的氢原子结合生成水，余下的基团彼此结合形成高分子。当甲醛的量较少时，得到的主要是线型酚醛树脂；方程式为：_______________________________________________________________________当甲醛的量较多时，得到的主要是体型酚醛树脂。四、高分子吸水材料1．原料高吸水性树脂是由淀粉、纤维素等天然高分子与丙烯酸、苯乙烯磺酸进行接枝共聚得到的，也有用聚乙烯醇与聚丙烯酸盐交联得到的。2．特性具有高吸水性和高保水性，能吸收相当于自身重量数百倍乃至千倍的水，吸水膨胀后，即便加压，依然“滴水不漏”。3．吸水原理高吸水性树脂聚丙烯酸钠交联体是由高分子长链相互紧密缠绕卷曲，其中部分链之间交联形成的立体网络结构。一遇水，交联体中的钠离子便游离于聚合物网络之外，剩下带负电荷的羧酸根相互排斥，使高分子链间的距离增大。此时，立体网络犹如一个大网兜，可容纳大量的水。它的吸水量为自身重量的几百倍乃至几千倍，它的保水能力也非常强，吸入的水即使在很大的压强下也不会被挤出，是一种高效保水剂。4．用途(1)近20年来，吸水性树脂得到迅速发展，现在我们将其称为高吸水功能性高分子材料(简称SAP)。SAP不仅应用于卫生用品和农林业，还介入电缆、医疗、土木建筑和食品保鲜等多个行业。(2)在农林业中的应用。丙烯酸系吸水树脂可以作为土壤保水材料。土壤保水材料能够在土壤有较多水时吸收大量水分，而当土壤缺水时又能释放出水分，如同在植物根部形成一个“小水库”。留在根部的水分80%～95%会被植物吸收，大大减少了地表水分的蒸发。在土壤中加1%的吸水剂可提高土壤保水率40%左右。这样，既能保证植物正常生长，又能保持土壤长期湿润，起到调控水分的作用。思考：加聚反应和缩聚反应有什么区别？提示：1单体所含官能团不同，加聚反应单体含不饱和键，缩聚反应单体往往含有—OH、—CHO、—NH2、—COOH等。2产物不同，缩聚反应除了生成高分子化合物外，还有小分子生成。一、加聚反应和缩聚反应1．加聚反应(1)加聚反应涉及单体、链节、聚合度、聚合物等概念，以乙烯的加聚反应为例，对相关概念进行归纳：概念含义实例单体形成高分子化合物的低分子化合物CH2=CH2链节高分子化合物中化学组成相同，可重复的最小单位—CH2—CH2—聚合度高分子链中含有链节的数目n聚合物由单体聚合而成的相对分子质量较大的化合物(2)加聚反应的特点。①单体必须是含有双键等不饱和键的化合物(例如烯烃、二烯烃、炔烃、醛等)。②加聚反应发生在不饱和键上。③加聚反应过程中，只生成高聚物，聚合物链节的化学组成跟单体的化学组成相同。④加聚反应生成的聚合物相对分子质量为单体相对分子质量的整数倍。2．缩合聚合反应(1)缩聚反应的特点。①单体为含有两个或两个以上的官能团的(如—OH、—COOH、—NH2、—X等)化合物。②缩聚反应过程中生成高聚物的同时，还有小分子副产物生成(如H2O、NH3、HCl)。③所得高分子化合物的化学组成跟单体的化学组成不同。(2)加聚反应和缩聚反应的对比。加聚反应缩聚反应单体结构单体必须是含有双键等不饱和键的化合物(如乙烯、氯乙烯、丙烯腈等)单体为含有两个或两个以上的官能团的(如—OH、—COOH、—NH2、—X等)化合物反应机理反应发生在不饱和键上反应发生在不同的官能团之间聚合方式通过碳碳双键等的加成连接通过缩合脱去小分子而连接反应特点只生成高聚物生成高聚物的同时，还有小分子副产物生成(如H2O、NH3、HCl等)聚合物化学组成所得高聚物的化学组成跟单体的化学组成相同，其相对分子质量eq\x\to(M)＝M(单体)×n(聚合度)所得高聚物的化学组成跟单体的化学组成不同。其相对分子质量eq\x\to(M)＜M(单体)×n(聚合度)二、聚合物单体的推断方法对于加聚反应和缩聚反应知识的学习，不仅要求根据单体书写聚合反应，确定聚合物；而且要求根据聚合物推断单体，确定结构式。现将根据聚合物推断单体的基本方法和步骤进行以下归纳。1．确定聚合物的类型聚合物可以通过加聚反应或缩聚反应得到。要推断一种聚合物的单体，必须首先确定这种聚合物是加聚产物还是缩聚产物。聚合物链节特点加聚产物全是C—C键或有C—C键和C=C键或有C—C键和C—O键缩聚产物含—COO—或—CO—NH—或—C6H4(OH)—CH2—2．确定聚合物的单体根据聚合物的类型以及链节的特点，聚合物的单体推断方法如下：链节特点推断方法加聚产物的单体推断全是C—C键或有C—C键和C=C键取出链节，单键改为双键，双键改为单键，断开错误的键有C—C键和C—O键将高聚物的链节两端相连成环，然后，破环形成C=O即为单体缩聚产物的单体推断含—COO—(酯基)或—CO—NH—(肽键)羰基和氧原子断开，羰基和氮原子断开；羰基连羟基，氧、氮原子都连氢含有—C6H4(OH)—CH2—一般为醛类和酚类的缩聚产物，苯环补氢，另一部分的碳上加氧拓展思考：加聚反应单体的判断需要注意什么问题？提示：加聚产物的单体推断中“断开错误的键”是指超过“碳四键”的两个相邻碳原子之间的碳碳键。例如根据推断单体，取出链节为—CH2—CH2—CH2—CH=CH—CH2—；单键改双键，双键改单键为CH2=*CH2=*CH2=CH—CH=CH2，其中“*”表示碳原子超过“碳四键”，断开错误的键即可得到单体为CH2=CH2和CH2=CH—CH=CH2。三、制备酚醛树脂一个参与缩聚反应的单体上所含有的能参与反应的官能团数称为官能度。缩聚反应包括线型缩聚反应和体型缩聚反应。线型缩聚的必要条件是需要一种或两种双官能度单体。例如，乙二醇与己二酸均为双官能度单体，记为22官能度体系，缩聚反应如下：nHO—(CH2)2—OH＋nHOOC—(CH2)4—COOHH＋(2n－1)H2O相应地，如体系中使用一个双官能团单体和一种三官能团单体或一种四官能团单体进行缩聚，就分别记作“23”或“24”体系。它们中含有多官能团单体，除了初期能生成线型缩聚物外，侧基也能缩合并生成支链，进一步形成体型结构，这称作体型缩聚反应。苯酚在邻、对位都容易发生反应，它能够跟甲醛形成线型或体型高聚物。在酸性条件下，苯酚过量时，主要在两个邻位起反应，合成线型酚醛树脂(粉红色)。苯酚甲醛酚醛树脂在碱性条件下，甲醛过量时，苯酚的苯环不仅在邻位而且在对位上都与甲醛起反应，得到体型的酚醛树脂(淡黄色)。酚醛树脂是一类合成树脂，它的单体属于酚类的可以是苯酚、苯甲酚、间苯二酚等，属于醛类的可以是甲醛、糠醛等。知识点1高分子化合物的结构【例题1】下列高聚物经简单处理可以从线型结构变成体型结构的是()。A．B．C．D．解析：体型结构的高分子特征是高分子链与高分子链之间相互交联，形成立体或网状结构。B项中苯酚与甲醛的反应还可以发生在对位，相互交联形成网状结构；C项中的双键还能继续相互加成，相互交联形成网状结构。答案：BC点拨：高分子从线型结构转化为体型结构，要求线型结构中必须还存在能发生加聚或缩聚反应的官能团，如双键、羟基、氨基等。知识点2天然橡胶与合成橡胶【例题2】根据系统命名法，天然橡胶应称聚2－甲基－1，3－丁二烯，其结构简式为：，单体为2－甲基－1,3－丁二烯()，该加聚反应的化学方程式为，合成橡胶就是根据以上原理生产的。(1)以为单体生产氯丁橡胶，试写出该反应的化学方程式：______________________；(2)1,3－丁二烯(CH2=CH—CH=CH2)和苯乙烯()按物质的量之比为1∶1加聚，可生产丁苯橡胶，试写出丁苯橡胶的结构简式：________________；(3)丁腈橡胶的结构简式为：，形成该橡胶的单体为______________、__________________。解析：根据信息，合成橡胶是利用加聚反应的原理生产的。(1)的加聚与二烯烃的加聚类似。(2)1,3－丁二烯和苯乙烯加聚时，单烯烃打开双键，二烯烃的两个双键也同时打开，彼此相互连接而二烯烃又形成一个新双键。(3)根据加聚产物单体的推断方法：“取出链节，单键改为双键，双键改为单键，断开错误的键”，丁腈橡胶的单体推断过程为：，故单体为CH2=CH—CH=CH2和CH2=CH—CN。答案：(1)CHnCH2CClCH2eq\o(→,\s\up7(催化剂))(2)(3)CH2=CH—CH=CH2和CH2=CH—CN点拨：合成橡胶利用的是加聚反应，可以根据加聚反应的规律分析合成橡胶的制备原理，包括根据单体书写合成橡胶的结构、根据合成橡胶的结构推断单体等。知识点3加聚反应和缩聚反应【例题3】化学纤维是传统三大合成高分子材料之一，其中的涤纶和维尼纶至今仍在纺织业中作为重要的原料。涤纶、维尼纶的结构简式如下：涤纶：(分子链两端连接的H—、—O—CH2—CH2—OH是链的终止基团)维尼纶：(链的终止基团已被省略)工业上用煤、石油等综合利用的产物生产涤纶和维尼纶，下面是合成所需基本原料的制备方法：已知：A为单质，B、C、E、G、H通常情况下为气体。合成流程如下：合成涤纶：合成维尼纶：回答下列问题：(1)G与L反应生成N的反应类型是________。(2)合成涤纶的流程中，可以重复利用的物质的名称是________。(3)高分子化合物O________(填“能”或“不能”)溶于水，原因是________________。(4)写出M和J反应生成涤纶的化学方程式(涤纶的结构中应含有终止基团)：________。(5)写出O与E反应生成维尼纶的化学方程式：______________________。解析：分析涤纶和维尼纶的结构可知，合成涤纶的两种单体是乙二醇和对苯二甲酸，如果同学们能熟练判断单体的话，也可确定维尼纶是由聚乙烯醇和甲醛合成的。再分析反应流程：因A在高温下能够与水蒸气和氧化钙反应，且A为单质，由此可知A为碳单质，F为CaC2，G为乙炔；B、C为CO和H2中的一种，二者反应的产物能够在铜的作用下反应，且D能够与羧酸发生酯化反应，所以D为甲醇，E为甲醛。对苯二甲酸和甲醇反应的产物M应是对苯二甲酸二甲酯，根据涤纶的结构简式可知J为乙二醇，它和M发生酯交换反应生成了涤纶，J由H合成，由此可知H为乙烯，I为1,2－二溴乙烷，K为乙醇，L为乙酸。答案：(1)加成反应(2)甲醇(3)能分子链中有许多亲水基(—OH)(4)(n＋1)HO—CH2—CH2—OHeq\o(→,\s\up7(一定条件))＋2nCH3OH(5)1随着工业的高速发展，橡胶的产量和性能已不能满足工业生产的需要，近年来，人们合成了一种无机耐火橡胶，它的结构应是()。A．B．C．D