第36講 生物大分子與合成高分子(講)教師版

學而優(yōu)·教有方第36講生物大分子與合成高分子【學科核心素養(yǎng)】1.宏觀辨識與微觀探析：能從官能團角度認識生活中常見的有機化合物的組成、結(jié)構和性質(zhì)，形成“結(jié)構決定性質(zhì)”的觀念，并能從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實際問題。2.證據(jù)推理與模型認知：具有證據(jù)意識，能對生活中常見的有機化合物的組成、結(jié)構及其變化提出可能的假設，并能解釋某些化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。3.科學態(tài)度與社會責任：通過高分子材料的合成等了解化學對社會發(fā)展的重大貢獻：通過分析高分子材料的利弊建立可持續(xù)發(fā)展意識和綠色化學觀念，并能對與此有關的社會熱點問題做出正確的價值判斷?！竞诵乃仞B(yǎng)發(fā)展目標】1.結(jié)合實例認識高分子、油脂、糖類、蛋白質(zhì)等有機化合物在生產(chǎn)、生活領域中的重要應用。2.認識糖類和蛋白質(zhì)的組成和性質(zhì)特點。了解淀粉和纖維素及其與葡萄糖的關系，了解葡萄糖的結(jié)構特點、主要性質(zhì)及應用。知道糖類在食品加工和生物質(zhì)能源開發(fā)上的應用。認識氨基酸的組成、結(jié)構特點和主要化學性質(zhì)，知道氨基酸和蛋白質(zhì)的關系，了解氨基酸、蛋白質(zhì)與人體健康的關系。3.了解聚合物的組成與結(jié)構特點，認識單體和單體單元（鏈節(jié)）及其與聚合物結(jié)構的關系。了解加聚反應和縮聚反應的特點，認識塑料、橡膠、合成纖維的組成和結(jié)構特點，了解新型高分子材料的優(yōu)異性能及其在高新技術領域中的應用?！局R點解讀】知識點一糖類、油脂、蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構和性質(zhì)1.糖類(1)糖類的概念和分類。①概念：從分子結(jié)構上看，糖類可以定義為多羥基醛、多羥基酮和它們的脫水縮合物。②組成：碳、氫、氧三種元素。大多數(shù)糖類化合物的通式為Cn(H2O)m，所以糖類也叫碳水化合物。③分類：(2)單糖——葡萄糖與果糖①組成和分子結(jié)構分子式結(jié)構簡式官能團二者關系葡萄糖C6H12O6CH2OH(CHOH)4CHO—OH、—CHO同分異構體果糖CH2OH(CHOH)3COCH2OH、—OH②葡萄糖的化學性質(zhì)eq\x(還原性)—能發(fā)生銀鏡反應，能與新制Cu(OH)2懸濁液反應|eq\x(加成反應)—與H2發(fā)生加成反應生成己六醇|eq\x(發(fā)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——蔗糖與麥芽糖比較項目蔗糖麥芽糖相同點分子式均為C12H22O11性質(zhì)都能發(fā)生水解反應不同點是否含醛基不含含有水解產(chǎn)物葡萄糖和果糖葡萄糖相互關系互為同分異構體(4)多糖——淀粉與纖維素①相似點：a.都屬于天然有機高分子化合物，屬于多糖，分子式都可表示為(C6H10O5)n。b.都能發(fā)生水解反應，如淀粉水解的化學方程式為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.都不能發(fā)生銀鏡反應。②不同點：a.通式中n值不同。b.淀粉遇碘呈現(xiàn)特殊的藍色。2.油脂(1)組成和結(jié)構油脂是高級脂肪酸與甘油反應所生成的酯，由C、H、O三種元素組成，其結(jié)構可表示為(2)分類(3)物理性質(zhì)性質(zhì)特點密度密度比水小溶解性難溶于水，易溶于有機溶劑狀態(tài)含有不飽和脂肪酸成分較多的甘油酯，常溫下一般呈液態(tài)；含有飽和脂肪酸成分較多的甘油酯，常溫下一般呈固態(tài)熔、沸點天然油脂都是混合物，沒有固定的熔、沸點(4)化學性質(zhì)①油脂的氫化(油脂的硬化)烴基上含有碳碳雙鍵，能與H2發(fā)生加成反應。如油酸甘油酯與H2發(fā)生加成反應的化學方程式為＋3H2eq\o(――→,\s\up7(Ni),\s\do5(△))。經(jīng)硬化制得的油脂叫人造脂肪，也稱硬化油。②水解反應a.酸性條件下如硬脂酸甘油酯的水解反應方程式為＋3H2Oeq\o(,\s\up7(H＋))＋3C17H35COOH。b.堿性條件下——皂化反應如硬脂酸甘油酯的水解反應方程式為＋3NaOHeq\o(――→,\s\up7(△))＋3C17H35COONa；其水解程度比酸性條件下水解程度大。3.氨基酸與蛋白質(zhì)(1)氨基酸的結(jié)構與性質(zhì)①氨基酸的組成與結(jié)構羧酸分子中烴基的氫原子被氨基取代后的產(chǎn)物。蛋白質(zhì)水解后得到的幾乎都是α-氨基酸，其通式為，官能團為—NH2和—COOH。②氨基酸的化學性質(zhì)a.兩性氨基酸分子中既含有酸性基團—COOH，又含有堿性基團—NH2，因此，氨基酸是兩性化合物。如甘氨酸與HCl、NaOH反應的化學方程式分別為＋HCl―→；＋NaOH―→＋H2O。b.成肽反應氨基酸在酸或堿存在的條件下加熱，通過一分子的氨基與另一分子的羧基間脫去一分子水，縮合形成含肽鍵的化合物叫做成肽反應。兩分子氨基酸脫水形成二肽，如：＋―→＋H2O。多種氨基酸分子間脫水以肽鍵相互結(jié)合，可形成蛋白質(zhì)。(2)蛋白質(zhì)的結(jié)構與性質(zhì)①組成與結(jié)構a.蛋白質(zhì)含有C、H、O、N、S等元素。b.蛋白質(zhì)是由氨基酸通過縮聚反應生成的，蛋白質(zhì)屬于天然有機高分子化合物。②性質(zhì)(3)酶①大部分酶是一種蛋白質(zhì)，具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)。②酶是一種生物催化劑，催化作用具有以下特點：a.條件溫和，不需加熱b.具有高度的專一性c.具有高效催化作用知識點二合成有機高分子1.基本概念(1)單體：能夠進行聚合反應形成高分子化合物的低分子化合物。(2)鏈節(jié)：高分子化合物中化學組成相同、可重復的最小單位。(3)聚合度：高分子鏈中含有鏈節(jié)的數(shù)目。如：2.合成高分子化合物的兩個基本反應(1)加聚反應：小分子物質(zhì)以加成反應形式生成高分子化合物的反應。(2)縮聚反應：單體分子間縮合脫去小分子(如H2O、HX等)生成高分子化合物的反應。3.高分子化合物的分類及性質(zhì)特點高分子化合物eq\o(――→,\s\up7(根據(jù)),\s\do5(來源))eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(天然高分子化合物：如淀粉、纖維素、蛋白質(zhì),合成高分子化合物\o(――→,\s\up7(按結(jié)構))\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(線型結(jié)構：具有熱塑性，如低壓聚乙烯,,支鏈型結(jié)構：具有熱塑性，如高壓聚乙烯,網(wǎng)狀結(jié)構：具有熱固性，如酚醛樹脂))))其中，塑料、合成纖維、合成橡膠又被稱為“三大合成材料”。4.加聚反應、縮聚反應方程式的書寫方法(1)加聚反應的書寫方法①單烯烴型單體加聚時，“斷開雙鍵，鍵分兩端，添上括號，右下寫n”。例如：nCH2==CH—CH3eq\o(――→,\s\up7(催化劑))②二烯烴型單體加聚時，“單變雙，雙變單，破兩頭，移中間，添上括號，右下寫n”。③含有一個雙鍵的兩種單體聚合時，“雙鍵打開，中間相連，添上括號，右下寫n”。例如：eq\o(――→,\s\up7(催化劑))(2)縮聚反應的書寫方法書寫縮合聚合物(簡稱縮聚物)結(jié)構式時，與加成聚合物(簡稱加聚物)結(jié)構式寫法有點不同，縮聚物結(jié)構式要在方括號外側(cè)寫出鏈節(jié)余下的端基原子或原子團，而加聚物的端基不確定，通常用橫線“—”表示。例如：a.聚酯類：—OH與—COOH間的縮聚nHOCH2—CH2OH＋nHOOC—COOHeq\o(,\s\up7(催化劑))＋(2n－1)H2O。nHOCH2—CH2—COOHeq\o(,\s\up7(催化劑))＋(n－1)H2O。b.聚氨基酸類：—NH2與—COOH間的縮聚nH2N—CH2COOHeq\o(――→,\s\up7(催化劑))＋(n－1)H2O。nH2NCH2COOH＋eq\o(――→,\s\up7(催化劑))＋(2n－1)H2O]。c.酚醛樹脂類：nHCHO＋eq\o(――→,\s\up7(H＋),\s\do5(△))(n－1)H2O＋。知識點三有機合成的思路與方法1.有機合成題的解題思路2.有機合成中碳骨架的構建(1)碳鏈增長的反應①加聚反應；②縮聚反應；③酯化反應；④利用題目信息所給反應，如：醛酮中的羰基與HCN加成。CH3CHO＋HCNeq\o(――→,\s\up7(加成))eq\o(――→,\s\up7(水解))(2)碳鏈減短的反應①烷烴的裂化反應；②酯類、糖類、蛋白質(zhì)等的水解反應；③利用題目信息所給反應，如：烯烴、炔烴的氧化反應，羧酸及其鹽的脫羧反應……(3)常見由鏈成環(huán)的方法①二元醇成環(huán)：如：HOCH2CH2OHeq\o(――→,\s\up7(濃硫酸),\s\do5(△))＋H2O；②羥基酸酯化成環(huán)：如：eq\o(,\s\up7(濃硫酸),\s\do5(△))＋H2O；③氨基酸成環(huán)：如：H2NCH2CH2COOH―→＋H2O；④二元羧酸成環(huán)：如：HOOCCH2CH2COOHeq\o(――→,\s\up7(濃硫酸),\s\do5(△))＋H2O；⑤利用題目所給信息成環(huán)，如常給信息二烯烴與單烯烴的聚合成環(huán)：＋eq\o(――→,\s\up7(一定條件))。3.有機合成中官能團的轉(zhuǎn)化(1)官能團的引入引入官能團引入方法引入鹵素原子①烴、酚的取代；②不飽和烴與HX、X2的加成；③醇與氫鹵酸(HX)反應引入羥基①烯烴與水加成；②醛酮與氫氣加成；③鹵代烴在堿性條件下水解；④酯的水解引入碳碳雙鍵①某些醇或鹵代烴的消去；②炔烴不完全加成；③烷烴裂化引入碳氧雙鍵①醇的催化氧化；②連在同一個碳上的兩個羥基脫水；③含碳碳三鍵的物質(zhì)與水加成引入羧基①醛基氧化；②酯、肽、蛋白質(zhì)、羧酸鹽的水解(2)官能團的消除①通過加成反應可以消除不飽和鍵(雙鍵、三鍵、苯環(huán))；②通過消去、氧化或酯化反應等消除羥基；③通過加成或氧化反應等消除醛基；④通過水解反應消除酯基、肽鍵、鹵素原子。(3)官能團的改變①利用官能團的衍生關系進行衍變，如R—CH2OHeq\o(,\s\up7(O2),\s\do5(H2))R—CHOeq\o(――→,\s\up7(O2))R—COOH；②通過某種化學途徑使一個官能團變?yōu)閮蓚€，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通過某種手段改變官能團的位置，如?！镜淅饰觥扛哳l考點一糖類、油脂、蛋白質(zhì)的組成、性質(zhì)及應用例1．（2021·浙江真題）關于油脂，下列說法不正確的是A．硬脂酸甘油酯可表示為B．花生油能使酸性高錳酸鉀溶液褪色C．植物油通過催化加氫可轉(zhuǎn)變?yōu)闅浠虳．油脂是一種重要的工業(yè)原料，可用于制造肥皂、油漆等【答案】A【解析】A．硬脂酸為飽和高級脂肪酸，其結(jié)構可以表示為：，硬脂酸甘油酯可表示為：，A錯誤；B．花生油是含有較多的不飽和高級脂肪酸甘油酯，含有碳碳雙鍵可以使酸性高錳酸鉀褪色，B正確；C．花生油是含有較多的不飽和高級脂肪酸甘油酯，可以和氫氣發(fā)生加成反生成氫化植物油，C正確；D．油脂是一種重要的工業(yè)原料，在堿性條件下水解發(fā)生皂化反應制造肥皂，D正確。【變式探究】（2020·浙江卷）下列說法不正確的是()A.相同條件下等質(zhì)量的甲烷、汽油、氫氣完全燃燒，放出的熱量依次增加B.油脂在堿性條件下水解生成的高級脂肪酸鹽是肥皂的主要成分C.根據(jù)纖維在火焰上燃燒產(chǎn)生的氣味，可以鑒別蠶絲與棉花D.淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)都屬于高分子化合物【答案】A【解析】由于等質(zhì)量的物質(zhì)燃燒放出的熱量主要取決于其含氫量的大小，而甲烷、汽油、氫氣中H的百分含量大小順序為：汽油<甲烷<氫氣，故等質(zhì)量的它們放出熱量的多少順序為：汽油<甲烷<氫氣，故A錯誤；油脂在堿性條件下發(fā)生水解反應生成甘油和高級脂肪酸鹽，高級脂肪酸鹽是肥皂的主要成分，故B正確；蠶絲主要成分是蛋白質(zhì)，灼燒時有燒焦羽毛的氣味，而棉花則屬于纖維素，灼燒時則基本沒有氣味，故C正確；高分子通常是指相對分子質(zhì)量在幾千甚至上萬的分子，淀粉、纖維素和蛋白質(zhì)均屬于天然高分子化合物，故D正確。【變式探究】下列說法正確的是()A．HCOOH是一元羧酸，對應的酸根是COOH－B．CH2(NH2)CH2COOH不是α-氨基酸，但它可以和甘氨酸反應形成酰胺基C．葡萄糖溶液中加入新制的Cu(OH)2懸濁液可看到有紅色沉淀生成D．纖維素的水解和油脂的皂化反應都是由高分子生成小分子的過程【答案】B【解析】A項，HCOOH是一元羧酸，對應的酸根是HCOO－，錯誤；B項，CH2(NH2)CH2COOH不是α-氨基酸，但同樣能和甘氨酸反應形成酰胺基，正確；C項，葡萄糖分子結(jié)構中含有醛基，其水溶液中加入新制的Cu(OH)2懸濁液，加熱后可看到有紅色沉淀生成，錯誤；D項，油脂不是有機高分子化合物，錯誤。高頻考點二糖類、油脂、蛋白質(zhì)與有機推斷【例2】（2020·天津卷）下列說法錯誤的是A.淀粉和纖維素均可水解產(chǎn)生葡萄糖B.油脂的水解反應可用于生產(chǎn)甘油C.氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本結(jié)構單元D.淀粉、纖維素和油脂均是天然高分子【答案】D【解析】淀粉和纖維素都屬于多糖，兩者水解的最終產(chǎn)物都為葡萄糖，A正確；油脂在酸性條件下水解成高級脂肪酸和甘油，在堿性條件下水解成高級脂肪酸鹽和甘油，則油脂的水解反應可用于生產(chǎn)甘油，B正確；氨基酸中含有氨基和羧基，氨基酸可以通過縮聚反應形成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)水解最終生成氨基酸，故氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本結(jié)構單元，C正確；天然高分子的相對分子質(zhì)量是上萬，淀粉和纖維素都是天然高分子，而油脂的相對分子質(zhì)量還不到1000，故油脂不屬于高分子，D錯誤；答案選D?！咀兪教骄俊炕衔顰是天然蛋白質(zhì)水解的最終產(chǎn)物，其相對分子質(zhì)量為165，其中O元素的質(zhì)量分數(shù)小于20%，N元素的質(zhì)量分數(shù)小于10%。(1)A的分子式為____________。(2)紅外光譜測定顯示，化合物A分子結(jié)構中不存在甲基，則化合物A的結(jié)構簡式為________________________________________________________________________。(3)寫出A發(fā)生縮聚反應的化學方程式：________________________________________________________________________?！窘馕觥?1)天然蛋白質(zhì)水解的最終產(chǎn)物A屬于α-氨基酸，在分子結(jié)構中含有—NH2、—COOH。在A分子中含有O原子的個數(shù)為165×20%÷16≈2，說明只有一個羧基(—COOH)；N元素的質(zhì)量分數(shù)小于10%，165×10%＝16.5>14，則含有一個氨基，其余為碳元素和氫元素，C、H元素的相對原子質(zhì)量為165－45－16＝104，為8個碳原子和8個氫原子，因此該氨基酸的分子式為C9H11O2N。(2)由A的分子式可看出該物質(zhì)極不飽和，說明分子內(nèi)含有苯環(huán)，紅外光譜測定顯示，化合物A分子結(jié)構中不存在甲基(—CH3)，則化合物A的結(jié)構簡式為。(3)A的分子內(nèi)含有羧基和氨基，可以發(fā)生縮聚反應，反應的化學方程式為【答案】(1)C9H11O2N(2)高頻考點三合成有機高分子的結(jié)構、性質(zhì)及應用例3．已知聚碳酸酯的結(jié)構簡式為，下列說法正確的是()A．聚碳酸酯是通過加聚反應得到的B．聚碳酸酯是純凈物C．聚碳酸酯可通過縮聚反應得到D．它是體型高分子【答案】C【解析】聚碳酸酯是由單體經(jīng)縮聚反應產(chǎn)生的，是線型結(jié)構的高分子化合物，屬于混合物?！咀兪教骄俊颗撏夂教旆刻卓傊亓考s120公斤，造價3000萬元人民幣左右。艙外航天服可為航天員出艙活動提供適當?shù)拇髿鈮毫?、足夠的氧氣、適宜的溫濕度，以保障航天員的生命活動需要；航天服具有足夠的強度，防止輻射、微流量和空間碎片對航天員的傷害，保證航天員的工作能力；航天服還能提供可靠工效保障及遙測通信保障等。制作這種航天服的材料以氨綸和尼龍為主。其中尼龍-1010的結(jié)構簡式為，下列有關尼龍-1010的說法正確的是()A．尼龍-1010是合成高分子化合物B．尼龍-1010的單體是H2N(CH2)10NHCO(CH2)8COOHC．尼龍-1010是通過縮聚反應制成的D．制作艙外航天服的材料要質(zhì)輕，方便在艙外行走【答案】AC【解析】尼龍-1010是通過縮聚反應合成的有機高分子化合物，A、C項正確；尼龍-1010的單體是H2N(CH2)10NH2和HOOC(CH2)8COOH，B項不正確；由于艙外航天服是在太空失重情況下穿的，不需要考慮選輕質(zhì)材料，D項不正確。高頻考點四單體的判斷例4．(雙選)已知聚乳酸可在乳酸菌作用下分解，下列有關聚乳酸的說法正確的是()A．聚乳酸是一種純凈物B．聚乳酸的單體是C．聚乳酸是由單體之間通過加聚反應而合成的D．聚乳酸是一種可降解高分子材料【答案】BD【解析】聚乳酸為混合物，A錯誤；由聚乳酸的結(jié)構可知，該物質(zhì)是由羥基和羧基脫水而形成的，屬于縮聚反應，B正確、C錯誤；由題意知，聚乳酸是一種可降解高分子材料，D正確?！咀兪教骄俊肯旅媸且环N線型高分子的一部分：由此分析，這種高分子化合物的單體至少有________種，它們的結(jié)構簡式為________________________________________________________________________?！窘馕觥繌谋绢}所示的高分子化合物的長鏈結(jié)構中可以看出多處出現(xiàn)類似酯結(jié)構的結(jié)構單元，所以這種高分子化合物是由酸與醇縮聚而形成的聚酯。據(jù)長鏈可以得知結(jié)合處為，則斷裂處亦為，斷裂后部分加羥基，其余部分加氫，從左到右可依次得出單體的結(jié)構簡式。【答案】5高頻考點五有機合成路線的設計例5．已知在一定條件下可實現(xiàn)下列轉(zhuǎn)變：逆推法是常用的有機合成路線設計方法。所謂逆推法就是從產(chǎn)物逆推出原料，設計出合理的合成路線。在逆推過程中，需要逆向?qū)ふ夷茼樌铣赡繕朔肿拥闹虚g有機物，直至選出合適的起始原料。下面是采用逆推法設計乙酰水楊酸的合成路線：請寫出適當?shù)闹虚g有機物A、B、C、D的結(jié)構簡式：A：_______；B:______；C：_______；D：_______?！敬鸢浮緾H3CO