資源簡介

微項目　探秘神奇的醫用膠——有機化學反應的創造性應用
【學習目標】
1.通過對醫用膠結構與性能關系的探究,深入領會“結構決定性質,性質反映結構”的學科思想,建立有機化合物宏觀性能與微觀分子結構之間的聯系;體驗有機化學反應在實踐中創造性應用。
2.通過對醫用膠改性的研討,形成應用有機化合物性質分析解釋實際現象、利用有機化學反應解決材料改性問題的思路,進一步鞏固利用有機化學反應實現官能團轉化的方法。
【合作探究】
項目活動1　從性能需求探究醫用膠的分子結構及黏合原理
1.從物質結構和性質的角度解讀醫用膠性能需求的含義
醫用膠性 能需求 相應有機化合物的性質特征 相應有機化合物的結構特征
常溫、常壓下可快速固化,實現黏合 ①能發生　　　　反應 ②對聚合反應具有活化作用 ③能夠與蛋白質大分子形成氫鍵 ①含有能發生　　　　反應的官能團,如碳碳雙鍵 ②對聚合反應具有活化作用的官能團,如鄰近碳碳雙鍵的氰基、　　　　等 ③能夠與蛋白質大分子形成氫鍵的官能團,如鄰近碳碳雙鍵的氰基、　　　　等
具有良好的黏合強度及持久性
2.504醫用膠[α-氰基丙烯酸正丁酯]的分析
官能團名稱 碳碳雙鍵 酯基 氰基
黏合過程中發生的反應及條件 常溫、常壓下發生聚合(加聚)反應
504醫用膠幾乎無毒的原因 無機氰化物如KCN劇毒,原因是　 , 504醫用膠含有氰基卻幾乎無毒理由是　
　　【答案】1.聚合　聚合　酯基　酯基　2.其能電離出能溶于水的CN-　α-氰基丙烯酸為非電解質,不能電離出CN-
【歸納總結】
α-氰基丙烯酸酯類醫用膠的結構與性能的關系
【遷移應用】
1.α-氰基丙烯酸異丁酯可用作醫用膠,其結構簡式為。下列關于α-氰基丙烯酸異丁酯的說法錯誤的是(　　)。
A.其分子式為 C8H11NO2
B.分子中的碳原子有3種雜化方式
C.分子中可能共平面的碳原子最多為6個
D.其任意一種含苯環的同分異構體中至少有4種不同化學環境的氫原子
　　【答案】C
【解析】A項,由結構簡式可知,其分子式為C8H11NO2,正確;B項,該分子中含 —C≡N (氰基)、碳碳雙鍵以及—CH3,它們采用的雜化類型分別是sp雜化、sp2雜化和sp3雜化共3種雜化方式,正確;C項, 碳碳雙鍵、碳氧雙鍵中碳原子共平面、—C≡N(氰基)共直線,O原子采用sp3雜化,為V形結構,鏈狀的碳碳單鍵中最多有兩個C原子共平面,則該分子中可能共平面的C原子可表示為,錯誤;D項,該分子中的不飽和度為4,含苯環的同分異構體中,等效氫原子種類最少的應具有對稱結構,其對稱度較高的同分異構體之一的結構簡式如,該分子的等效氫為4種,正確。
2.外科手術常用一種化學合成材料——醫用膠代替傳統的手術縫合線,這種醫用膠具有黏合傷口快、免敷料包扎、抑菌性能強、傷口愈合后無明顯疤痕等優點。某種醫用膠的結構簡式為。該有機化合物具有下列性質:
(1)能使溴的四氯化碳溶液褪色,與溴發生　　　　反應,化學方程式為　 　。
(2)將該醫用膠涂在手術傷口表面,在數秒鐘內會發生固化并起黏結作用,形成一種性能優良的高分子材料。其固化時發生反應的化學方程式為　 。
　　【答案】(1)加成　+Br2
(2)
項目活動2　通過結構轉化改進醫用膠的安全性能
1.醫用膠使用過程中存在的問題
(1)單體聚合放熱對人體組織和細胞存在潛在危害;
(2)聚合后的薄膜柔韌性不夠而導致黏結性能降低或使用部位受限;
(3)體內應用時有可能產生甲醛而引起炎癥或局部組織壞死等。
2.α-氰基丙烯酸酯醫用膠的改良
α-氰基丙烯酸正丁酯
結構裝飾后的醫用膠分子
結構比較 正丁基轉化為—CH2CH2—O—CH3 正丁基和酯基之間插入　　 氰基丙烯酸部分增加　　　個數
性能變化 引入醚鍵、酯基,有利于加快其降解速率; 氰基丙烯酸部分的結構中有兩個或多個碳碳雙鍵,則可發生交聯聚合,形成體型高聚物,有助于增強醫用膠的耐水、耐熱、抗冷熱交替等性能
說明:羧酸酯在催化劑存在時可與醇發生酯交換反應,從而生成新的酯。
R1COOR2+R3OH　　　　　　　　　　　　　(R1、R2、R3為烴基)。
　　【答案】2.酯基　碳碳雙鍵　R1COOR3+R2OH
【歸納總結】
α-氰基丙烯酸酯醫用膠改良的原則
1.安全性原則:從兩個方面衡量,一是黏合過程中單體的聚合熱、產生的聚合物等是否對人體有害;二是聚合物在人體內的代謝過程中,聚合物代謝時間、生成的小分子等是否對人體有害。
2.性能改良原則:通過對醫用膠分子中的官能團和碳骨架的改變,使醫用膠分子的黏合性、安全性和降解性等性能得到改良。
3.結構改造原則:應從反應物、反應類型、反應試劑及反應條件等多角度全面考慮。
【遷移應用】
1.甲、乙兩種有機化合物均可作為醫用膠使用,下列有關這兩種有機化合物的敘述錯誤的是(　　)。
甲　　　　　　　　乙
A.甲、乙所含官能團完全相同
B.甲含三種官能團,乙含四種官能團
C.甲、乙結構中的碳碳雙鍵決定了它們可以發生加聚反應
D.甲、乙兩種物質均能與蛋白質大分子形成氫鍵
　　【答案】A
【解析】甲、乙均含碳碳雙鍵、氰基、酯基,但乙還含醚鍵,A項錯誤,B項正確;碳碳雙鍵決定其可以發生加聚反應,C項正確;甲、乙均含氰基,均能與蛋白質大分子形成氫鍵,D項正確。
2.α-氰基丙烯酸酯在堿性條件下能快速聚合為,從而具有膠黏性。某種氰基丙烯酸酯(G)的合成路線如圖所示:
已知:①A的相對分子質量為58,氧元素的質量分數為0.276,核磁共振氫譜顯示為單峰。
②。
回答下列問題:
(1)A的化學名稱為　　　　。
(2)B的結構簡式為　 ,
其核磁共振氫譜顯示為　　　　組峰,峰面積之比為　　　　。
(3)由C生成D的反應類型為　　　　　　。
(4)由D生成E的化學方程式為　 。
(5)在G的同分異構體中,與G具有相同官能團且能發生銀鏡反應的共有　　　　種(不含立體異構)。
(6)F與H2反應后生成C4H9NO2,此物質一定條件下發生聚合反應的化學方程式為　 。
　　【答案】(1)丙酮
(2)　2　1∶6(或6∶1)
(3)取代反應
(4) +NaOH+NaCl
(5)8
(6)nCH3CH(CH2NH2)COOH+(n-1)H2O
【解析】A的相對分子質量為58,氧元素的質量分數為0.276,則A分子中氧原子數目為=1,C、H原子總相對原子質量為58-16=42,則分子中最大碳原子數目為=3……6,故A的分子式為C3H6O,其核磁共振氫譜顯示為單峰,且發生已知信息②中的加成反應生成B,故A為,B為;B發生消去反應生成C為;C與氯氣光照反應生成D,D發生水解反應生成E,結合E的分子式可知,C與氯氣發生取代反應生成D,則D為;E發生氧化反應生成F,F與甲醇發生酯化反應生成G,則E為,F為,G為。(1)由上述分析可知,A為,為丙酮。 (2)B的結構簡式為,其核磁共振氫譜顯示為2組峰,峰面積之比為1∶6(或6∶1)。(3)由C生成D的反應類型為取代反應。(4)由D生成E的化學方程式為 +NaOH+NaCl。(5)G()的同分異構體中,與G具有相同官能團且能發生銀鏡反應,則含有甲酸形成的酯基:HCOOCH2CHCH2、HCOOCHCHCH3、HCOOC(CH3)CH2,當為HCOOCH2CHCH2時,—CN的取代位置有3種,當為HCOOCHCHCH3時,—CN的取代位置有3種,當為HCOOC(CH3)CH2時,—CN的取代位置有2種,共有8種。(6)F為,F與H2反應后生成C4H9NO2,結構簡式為CH3CH(CH2NH2)COOH,發生聚合反應的方程式為nCH3CH(CH2NH2)COOH+(n-1)H2O。
【隨堂檢測】
1.α-氰基丙烯酸酯是一類瞬時膠黏劑的單體,其根據連接醇的種類的不同,即酯化基團不同長度的直聯,物化性能也不完全相同。下列說法正確的是(　　)。
A.504指的是α-氰基丙烯酸丁酯
B.丁醇有四種醇類同分異構體,所以α-氰基丙烯酸與丁醇形成的酯有4種
C.α-氰基丙烯酸辛酯的分子式為C11H20O2N
D.508指的是α-氰基丙烯酸正辛酯,其能夠與比較干燥的人體組織強烈結合
　　【答案】B
【解析】504指的是α-氰基丙烯酸正丁酯,A項錯誤;丁醇的醇類同分異構體有、、、,故α-氰基丙烯酸與丁醇形成的酯有4種,B項正確;α-氰基丙烯酸辛酯的分子式為C12H19O2N,C項錯誤;醫用膠與潮濕的人體組織接觸黏合效果好,D項錯誤。
2.某藥物的結構簡式為,1 mol該物質與足量的NaOH溶液反應,消耗NaOH的物質的量為(　　)。
A.3 mol B.4 mol
C.3n mol D.4n mol
　　【答案】D
【解析】1 mol該高聚物分子中含有3n mol酯基,水解后,生成3n mol羧基、n mol酚羥基和2n mol醇羥基,因此,共消耗4n mol NaOH。
3.X是一種性能優異的高分子材料,其結構簡式為,已被廣泛應用于聲、熱、光的傳感等方面。它是由HC≡CH、(CN)2、CH3COOH三種單體通過下列可能的反應形成的。由X的結構簡式分析,合成X的過程中發生反應的類型有(　　)。
①加成反應　②取代反應　③縮聚反應　④加聚反應　⑤酯化反應
A.①④⑤ B.①④
C.①②④ D.①②③
　　【答案】B
【解析】由X的結構簡式可判斷出它是加聚反應的產物,兩種單體分別為NCCHCHCN和CH2CHOOCCH3,前者是HC≡CH和(CN)2的加成產物,后者是HC≡CH和CH3COOH的加成產物,因此B項正確。
4.黏合劑代替傳統縫合是外科手術的一次革命。50X大家族是氰基丙烯酸鹽黏合劑的簡稱,50X大家族也是市場上常見的萬能膠,這個家族的成員因分子結構中酯化基團的不同,有著不同的名字。下列有關說法錯誤的是(　　)。
A.常見的俗名有501、502、504、508的黏合劑,分別指的是α-氰基丙烯酸甲酯、α-氰基丙烯酸乙酯、α-氰基丙烯酸正丁酯、α-氰基丙烯酸正辛酯
B.α-氰基丙烯酸酯既能發生水解反應,也能發生加成反應
C.α-氰基丙烯酸酯類物質僅有碳碳雙鍵能發生加成反應
D.α-氰基丙烯酸甲酯、α-氰基丙烯酸乙酯的聚合速度較快,但對人體組織的刺激性和毒性較大,只能被用作普通的瞬干膠
　　【答案】C
【解析】α-氰基丙烯酸酯類物質中碳碳雙鍵和氰基能發生加成反應,酯基能發生水解反應,B項正確,C項錯誤。α-氰基丙烯酸甲酯和α-氰基丙烯酸乙酯只能用作日用品,而不能用于醫療,D項正確。
5.黏合劑M的合成路線如圖所示:
回答下列問題:
(1)寫出A和B的結構簡式:A　　　　　　　　,B　　　　　　　　。
(2)寫出反應類型:反應⑥　　　　　　　　,反應⑦　　　　　　　　。
(3)寫出反應條件:反應②　　　　　　　　,反應⑤　　　　　　　　。
(4)反應③和⑤的目的是　　　　　　　　。
(5)C的具有相同官能團的同分異構體共有　　　　種(不包含C)。
(6)寫出D在堿性條件下水解的化學方程式:　 。
　　【答案】(1)CH3CHCH2　CH2CHCH2Cl(或CH2CHCH2Br)
(2)酯化反應(或取代反應)　加聚反應
(3)NaOH/H2O,加熱　NaOH/C2H5OH,加熱
(4)保護碳碳雙鍵
(5)4
(6)+NaOHCH2CHCOONa+NH3↑
【解析】解答此類題關鍵是要推導出各物質的結構簡式。
推斷1:A為CH2CHCH3,據反應②可推出B為CH2CHCH2Cl。目的是在CH2CHCH3的—CH3上引入—OH。
推斷2:從反應⑦、M的結構簡式及前面的信息,可推出相應的單體:D含有N元素,為;C為CH2CHCOOCH3,進而推出生成C的反應物C3H4O2為CH2CHCOOH。
推斷3:從CH2CHCH2OH→……→CH2CHCOOH,其中的—OH被酸性KMnO4溶液氧化即可,但其中的也會被酸性KMnO4溶液氧化,所以要先把保護起來,氧化后,再恢復。通常的方法是用HCl(或HBr)加成,氧化后,再消去HCl生成。
(5)C是CH2CHCOOCH3,其含有相同官能團的同分異構體有CH3COOCHCH2、HCOOCHCHCH3、HCOOCH2CHCH2、HCOOC(CH3)CH2,除C外共4種。
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