第36讲 生物大分子与合成高分子(讲)教师版

学而优·教有方第36讲生物大分子与合成高分子【学科核心素养】1.宏观辨识与微观探析：能从官能团角度认识生活中常见的有机化合物的组成、结构和性质，形成“结构决定性质”的观念，并能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。2.证据推理与模型认知：具有证据意识，能对生活中常见的有机化合物的组成、结构及其变化提出可能的假设，并能解释某些化学现象，揭示现象的本质和规律。3.科学态度与社会责任：通过高分子材料的合成等了解化学对社会发展的重大贡献：通过分析高分子材料的利弊建立可持续发展意识和绿色化学观念，并能对与此有关的社会热点问题做出正确的价值判断。【核心素养发展目标】1.结合实例认识高分子、油脂、糖类、蛋白质等有机化合物在生产、生活领域中的重要应用。2.认识糖类和蛋白质的组成和性质特点。了解淀粉和纤维素及其与葡萄糖的关系，了解葡萄糖的结构特点、主要性质及应用。知道糖类在食品加工和生物质能源开发上的应用。认识氨基酸的组成、结构特点和主要化学性质，知道氨基酸和蛋白质的关系，了解氨基酸、蛋白质与人体健康的关系。3.了解聚合物的组成与结构特点，认识单体和单体单元（链节）及其与聚合物结构的关系。了解加聚反应和缩聚反应的特点，认识塑料、橡胶、合成纤维的组成和结构特点，了解新型高分子材料的优异性能及其在高新技术领域中的应用。【知识点解读】知识点一糖类、油脂、蛋白质的组成、结构和性质1.糖类(1)糖类的概念和分类。①概念：从分子结构上看，糖类可以定义为多羟基醛、多羟基酮和它们的脱水缩合物。②组成：碳、氢、氧三种元素。大多数糖类化合物的通式为Cn(H2O)m，所以糖类也叫碳水化合物。③分类：(2)单糖——葡萄糖与果糖①组成和分子结构分子式结构简式官能团二者关系葡萄糖C6H12O6CH2OH(CHOH)4CHO—OH、—CHO同分异构体果糖CH2OH(CHOH)3COCH2OH、—OH②葡萄糖的化学性质eq\x(还原性)—能发生银镜反应，能与新制Cu(OH)2悬浊液反应|eq\x(加成反应)—与H2发生加成反应生成己六醇|eq\x(发酵成醇)—eq\o(\s\up7(C6H12O6),\s\do5(葡萄糖))eq\o(――→,\s\up7(酒化酶))2C2H5OH＋2CO2↑|eq\x(生理氧化)—C6H12O6＋6O2―→6CO2＋6H2O＋能量(3)二糖——蔗糖与麦芽糖比较项目蔗糖麦芽糖相同点分子式均为C12H22O11性质都能发生水解反应不同点是否含醛基不含含有水解产物葡萄糖和果糖葡萄糖相互关系互为同分异构体(4)多糖——淀粉与纤维素①相似点：a.都属于天然有机高分子化合物，属于多糖，分子式都可表示为(C6H10O5)n。b.都能发生水解反应，如淀粉水解的化学方程式为eq\o(\s\up7(C6H10O5n),\s\do5(淀粉))＋nH2Oeq\o(――→,\s\up7(酸或酶))eq\o(\s\up7(nC6H12O6),\s\do5(葡萄糖))。c.都不能发生银镜反应。②不同点：a.通式中n值不同。b.淀粉遇碘呈现特殊的蓝色。2.油脂(1)组成和结构油脂是高级脂肪酸与甘油反应所生成的酯，由C、H、O三种元素组成，其结构可表示为(2)分类(3)物理性质性质特点密度密度比水小溶解性难溶于水，易溶于有机溶剂状态含有不饱和脂肪酸成分较多的甘油酯，常温下一般呈液态；含有饱和脂肪酸成分较多的甘油酯，常温下一般呈固态熔、沸点天然油脂都是混合物，没有固定的熔、沸点(4)化学性质①油脂的氢化(油脂的硬化)烃基上含有碳碳双键，能与H2发生加成反应。如油酸甘油酯与H2发生加成反应的化学方程式为＋3H2eq\o(――→,\s\up7(Ni),\s\do5(△))。经硬化制得的油脂叫人造脂肪，也称硬化油。②水解反应a.酸性条件下如硬脂酸甘油酯的水解反应方程式为＋3H2Oeq\o(,\s\up7(H＋))＋3C17H35COOH。b.碱性条件下——皂化反应如硬脂酸甘油酯的水解反应方程式为＋3NaOHeq\o(――→,\s\up7(△))＋3C17H35COONa；其水解程度比酸性条件下水解程度大。3.氨基酸与蛋白质(1)氨基酸的结构与性质①氨基酸的组成与结构羧酸分子中烃基的氢原子被氨基取代后的产物。蛋白质水解后得到的几乎都是α­氨基酸，其通式为，官能团为—NH2和—COOH。②氨基酸的化学性质a.两性氨基酸分子中既含有酸性基团—COOH，又含有碱性基团—NH2，因此，氨基酸是两性化合物。如甘氨酸与HCl、NaOH反应的化学方程式分别为＋HCl―→；＋NaOH―→＋H2O。b.成肽反应氨基酸在酸或碱存在的条件下加热，通过一分子的氨基与另一分子的羧基间脱去一分子水，缩合形成含肽键的化合物叫做成肽反应。两分子氨基酸脱水形成二肽，如：＋―→＋H2O。多种氨基酸分子间脱水以肽键相互结合，可形成蛋白质。(2)蛋白质的结构与性质①组成与结构a.蛋白质含有C、H、O、N、S等元素。b.蛋白质是由氨基酸通过缩聚反应生成的，蛋白质属于天然有机高分子化合物。②性质(3)酶①大部分酶是一种蛋白质，具有蛋白质的性质。②酶是一种生物催化剂，催化作用具有以下特点：a.条件温和，不需加热b.具有高度的专一性c.具有高效催化作用知识点二合成有机高分子1.基本概念(1)单体：能够进行聚合反应形成高分子化合物的低分子化合物。(2)链节：高分子化合物中化学组成相同、可重复的最小单位。(3)聚合度：高分子链中含有链节的数目。如：2.合成高分子化合物的两个基本反应(1)加聚反应：小分子物质以加成反应形式生成高分子化合物的反应。(2)缩聚反应：单体分子间缩合脱去小分子(如H2O、HX等)生成高分子化合物的反应。3.高分子化合物的分类及性质特点高分子化合物eq\o(――→,\s\up7(根据),\s\do5(来源))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(天然高分子化合物：如淀粉、纤维素、蛋白质,合成高分子化合物\o(――→,\s\up7(按结构))\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(线型结构：具有热塑性，如低压聚乙烯,,支链型结构：具有热塑性，如高压聚乙烯,网状结构：具有热固性，如酚醛树脂))))其中，塑料、合成纤维、合成橡胶又被称为“三大合成材料”。4.加聚反应、缩聚反应方程式的书写方法(1)加聚反应的书写方法①单烯烃型单体加聚时，“断开双键，键分两端，添上括号，右下写n”。例如：nCH2==CH—CH3eq\o(――→,\s\up7(催化剂))②二烯烃型单体加聚时，“单变双，双变单，破两头，移中间，添上括号，右下写n”。③含有一个双键的两种单体聚合时，“双键打开，中间相连，添上括号，右下写n”。例如：eq\o(――→,\s\up7(催化剂))(2)缩聚反应的书写方法书写缩合聚合物(简称缩聚物)结构式时，与加成聚合物(简称加聚物)结构式写法有点不同，缩聚物结构式要在方括号外侧写出链节余下的端基原子或原子团，而加聚物的端基不确定，通常用横线“—”表示。例如：a.聚酯类：—OH与—COOH间的缩聚nHOCH2—CH2OH＋nHOOC—COOHeq\o(,\s\up7(催化剂))＋(2n－1)H2O。nHOCH2—CH2—COOHeq\o(,\s\up7(催化剂))＋(n－1)H2O。b.聚氨基酸类：—NH2与—COOH间的缩聚nH2N—CH2COOHeq\o(――→,\s\up7(催化剂))＋(n－1)H2O。nH2NCH2COOH＋eq\o(――→,\s\up7(催化剂))＋(2n－1)H2O]。c.酚醛树脂类：nHCHO＋eq\o(――→,\s\up7(H＋),\s\do5(△))(n－1)H2O＋。知识点三有机合成的思路与方法1.有机合成题的解题思路2.有机合成中碳骨架的构建(1)碳链增长的反应①加聚反应；②缩聚反应；③酯化反应；④利用题目信息所给反应，如：醛酮中的羰基与HCN加成。CH3CHO＋HCNeq\o(――→,\s\up7(加成))eq\o(――→,\s\up7(水解))(2)碳链减短的反应①烷烃的裂化反应；②酯类、糖类、蛋白质等的水解反应；③利用题目信息所给反应，如：烯烃、炔烃的氧化反应，羧酸及其盐的脱羧反应……(3)常见由链成环的方法①二元醇成环：如：HOCH2CH2OHeq\o(――→,\s\up7(浓硫酸),\s\do5(△))＋H2O；②羟基酸酯化成环：如：eq\o(,\s\up7(浓硫酸),\s\do5(△))＋H2O；③氨基酸成环：如：H2NCH2CH2COOH―→＋H2O；④二元羧酸成环：如：HOOCCH2CH2COOHeq\o(――→,\s\up7(浓硫酸),\s\do5(△))＋H2O；⑤利用题目所给信息成环，如常给信息二烯烃与单烯烃的聚合成环：＋eq\o(――→,\s\up7(一定条件))。3.有机合成中官能团的转化(1)官能团的引入引入官能团引入方法引入卤素原子①烃、酚的取代；②不饱和烃与HX、X2的加成；③醇与氢卤酸(HX)反应引入羟基①烯烃与水加成；②醛酮与氢气加成；③卤代烃在碱性条件下水解；④酯的水解引入碳碳双键①某些醇或卤代烃的消去；②炔烃不完全加成；③烷烃裂化引入碳氧双键①醇的催化氧化；②连在同一个碳上的两个羟基脱水；③含碳碳三键的物质与水加成引入羧基①醛基氧化；②酯、肽、蛋白质、羧酸盐的水解(2)官能团的消除①通过加成反应可以消除不饱和键(双键、三键、苯环)；②通过消去、氧化或酯化反应等消除羟基；③通过加成或氧化反应等消除醛基；④通过水解反应消除酯基、肽键、卤素原子。(3)官能团的改变①利用官能团的衍生关系进行衍变，如R—CH2OHeq\o(,\s\up7(O2),\s\do5(H2))R—CHOeq\o(――→,\s\up7(O2))R—COOH；②通过某种化学途径使一个官能团变为两个，如CH3CH2OHeq\o(――――→,\s\up7(消去),\s\do5(－H2O))CH2==CH2eq\o(――→,\s\up7(加成),\s\do5(＋Cl2))Cl—CH2—CH2Cleq\o(――→,\s\up7(水解))HO—CH2—CH2—OH；③通过某种手段改变官能团的位置，如。【典例剖析】高频考点一糖类、油脂、蛋白质的组成、性质及应用例1．（2021·浙江真题）关于油脂，下列说法不正确的是A．硬脂酸甘油酯可表示为B．花生油能使酸性高锰酸钾溶液褪色C．植物油通过催化加氢可转变为氢化油D．油脂是一种重要的工业原料，可用于制造肥皂、油漆等【答案】A【解析】A．硬脂酸为饱和高级脂肪酸，其结构可以表示为：，硬脂酸甘油酯可表示为：，A错误；B．花生油是含有较多的不饱和高级脂肪酸甘油酯，含有碳碳双键可以使酸性高锰酸钾褪色，B正确；C．花生油是含有较多的不饱和高级脂肪酸甘油酯，可以和氢气发生加成反生成氢化植物油，C正确；D．油脂是一种重要的工业原料，在碱性条件下水解发生皂化反应制造肥皂，D正确。【变式探究】（2020·浙江卷）下列说法不正确的是()A.相同条件下等质量的甲烷、汽油、氢气完全燃烧，放出的热量依次增加B.油脂在碱性条件下水解生成的高级脂肪酸盐是肥皂的主要成分C.根据纤维在火焰上燃烧产生的气味，可以鉴别蚕丝与棉花D.淀粉、纤维素、蛋白质都属于高分子化合物【答案】A【解析】由于等质量的物质燃烧放出的热量主要取决于其含氢量的大小，而甲烷、汽油、氢气中H的百分含量大小顺序为：汽油<甲烷<氢气，故等质量的它们放出热量的多少顺序为：汽油<甲烷<氢气，故A错误；油脂在碱性条件下发生水解反应生成甘油和高级脂肪酸盐，高级脂肪酸盐是肥皂的主要成分，故B正确；蚕丝主要成分是蛋白质，灼烧时有烧焦羽毛的气味，而棉花则属于纤维素，灼烧时则基本没有气味，故C正确；高分子通常是指相对分子质量在几千甚至上万的分子，淀粉、纤维素和蛋白质均属于天然高分子化合物，故D正确。【变式探究】下列说法正确的是()A．HCOOH是一元羧酸，对应的酸根是COOH－B．CH2(NH2)CH2COOH不是α­氨基酸，但它可以和甘氨酸反应形成酰胺基C．葡萄糖溶液中加入新制的Cu(OH)2悬浊液可看到有红色沉淀生成D．纤维素的水解和油脂的皂化反应都是由高分子生成小分子的过程【答案】B【解析】A项，HCOOH是一元羧酸，对应的酸根是HCOO－，错误；B项，CH2(NH2)CH2COOH不是α­氨基酸，但同样能和甘氨酸反应形成酰胺基，正确；C项，葡萄糖分子结构中含有醛基，其水溶液中加入新制的Cu(OH)2悬浊液，加热后可看到有红色沉淀生成，错误；D项，油脂不是有机高分子化合物，错误。高频考点二糖类、油脂、蛋白质与有机推断【例2】（2020·天津卷）下列说法错误的是A.淀粉和纤维素均可水解产生葡萄糖B.油脂的水解反应可用于生产甘油C.氨基酸是组成蛋白质的基本结构单元D.淀粉、纤维素和油脂均是天然高分子【答案】D【解析】淀粉和纤维素都属于多糖，两者水解的最终产物都为葡萄糖，A正确；油脂在酸性条件下水解成高级脂肪酸和甘油，在碱性条件下水解成高级脂肪酸盐和甘油，则油脂的水解反应可用于生产甘油，B正确；氨基酸中含有氨基和羧基，氨基酸可以通过缩聚反应形成蛋白质，蛋白质水解最终生成氨基酸，故氨基酸是组成蛋白质的基本结构单元，C正确；天然高分子的相对分子质量是上万，淀粉和纤维素都是天然高分子，而油脂的相对分子质量还不到1000，故油脂不属于高分子，D错误；答案选D。【变式探究】化合物A是天然蛋白质水解的最终产物，其相对分子质量为165，其中O元素的质量分数小于20%，N元素的质量分数小于10%。(1)A的分子式为____________。(2)红外光谱测定显示，化合物A分子结构中不存在甲基，则化合物A的结构简式为________________________________________________________________________。(3)写出A发生缩聚反应的化学方程式：________________________________________________________________________。【解析】(1)天然蛋白质水解的最终产物A属于α­氨基酸，在分子结构中含有—NH2、—COOH。在A分子中含有O原子的个数为165×20%÷16≈2，说明只有一个羧基(—COOH)；N元素的质量分数小于10%，165×10%＝16.5>14，则含有一个氨基，其余为碳元素和氢元素，C、H元素的相对原子质量为165－45－16＝104，为8个碳原子和8个氢原子，因此该氨基酸的分子式为C9H11O2N。(2)由A的分子式可看出该物质极不饱和，说明分子内含有苯环，红外光谱测定显示，化合物A分子结构中不存在甲基(—CH3)，则化合物A的结构简式为。(3)A的分子内含有羧基和氨基，可以发生缩聚反应，反应的化学方程式为【答案】(1)C9H11O2N(2)高频考点三合成有机高分子的结构、性质及应用例3．已知聚碳酸酯的结构简式为，下列说法正确的是()A．聚碳酸酯是通过加聚反应得到的B．聚碳酸酯是纯净物C．聚碳酸酯可通过缩聚反应得到D．它是体型高分子【答案】C【解析】聚碳酸酯是由单体经缩聚反应产生的，是线型结构的高分子化合物，属于混合物。【变式探究】舱外航天服每套总重量约120公斤，造价3000万元人民币左右。舱外航天服可为航天员出舱活动提供适当的大气压力、足够的氧气、适宜的温湿度，以保障航天员的生命活动需要；航天服具有足够的强度，防止辐射、微流量和空间碎片对航天员的伤害，保证航天员的工作能力；航天服还能提供可靠工效保障及遥测通信保障等。制作这种航天服的材料以氨纶和尼龙为主。其中尼龙­1010的结构简式为，下列有关尼龙­1010的说法正确的是()A．尼龙­1010是合成高分子化合物B．尼龙­1010的单体是H2N(CH2)10NHCO(CH2)8COOHC．尼龙­1010是通过缩聚反应制成的D．制作舱外航天服的材料要质轻，方便在舱外行走【答案】AC【解析】尼龙­1010是通过缩聚反应合成的有机高分子化合物，A、C项正确；尼龙­1010的单体是H2N(CH2)10NH2和HOOC(CH2)8COOH，B项不正确；由于舱外航天服是在太空失重情况下穿的，不需要考虑选轻质材料，D项不正确。高频考点四单体的判断例4．(双选)已知聚乳酸可在乳酸菌作用下分解，下列有关聚乳酸的说法正确的是()A．聚乳酸是一种纯净物B．聚乳酸的单体是C．聚乳酸是由单体之间通过加聚反应而合成的D．聚乳酸是一种可降解高分子材料【答案】BD【解析】聚乳酸为混合物，A错误；由聚乳酸的结构可知，该物质是由羟基和羧基脱水而形成的，属于缩聚反应，B正确、C错误；由题意知，聚乳酸是一种可降解高分子材料，D正确。【变式探究】下面是一种线型高分子的一部分：由此分析，这种高分子化合物的单体至少有________种，它们的结构简式为________________________________________________________________________。【解析】从本题所示的高分子化合物的长链结构中可以看出多处出现类似酯结构的结构单元，所以这种高分子化合物是由酸与醇缩聚而形成的聚酯。据长链可以得知结合处为，则断裂处亦为，断裂后部分加羟基，其余部分加氢，从左到右可依次得出单体的结构简式。【答案】5高频考点五有机合成路线的设计例5．已知在一定条件下可实现下列转变：逆推法是常用的有机合成路线设计方法。所谓逆推法就是从产物逆推出原料，设计出合理的合成路线。在逆推过程中，需要逆向寻找能顺利合成目标分子的中间有机物，直至选出合适的起始原料。下面是采用逆推法设计乙酰水杨酸的合成路线：请写出适当的中间有机物A、B、C、D的结构简式：A：_______；B:______；C：_______；D：_______。【答案】CH3CO