专题1 第二单元 第3课时 有机化学反应的研究（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中化学选择性必修3（苏教版2019）

第3课时　有机化学反应的研究 目录 新知探究——有机化学反应的研究 命题热点——有机催化反应机理分析 课时跟踪检测 2 新知探究 有机化学反应的研究 1.反应机理 又称 ,指 转变为 所经历的过程。有机化学的反应机理揭示了反应中化学键因基团的相互作用而发生断裂形成 。 反应历程 反应物 生成物 新化学键 2.甲烷与氯气取代反应的反应机理 (1)反应机理:甲烷与氯气在光照条件下发生的卤代反应是一个自由基型链反应。 链引发:Cl2 ·Cl+·Cl 链增长:·Cl+CH4→HCl+·CH3 ·CH3+Cl2→CH3Cl+·Cl 链终止:·Cl+·Cl→Cl2 ·Cl+·CH3→CH3Cl 其中Cl2、CH4为反应物,·Cl、·CH3为自由基,HCl、CH3Cl为生成物。 (2)反应产物:共有 和HCl五种。 [微点拨]　共价键的均裂产生自由基,碳自由基(如·CH3)中的碳原子周围有7个电子,其中一个为单电子,自由基一般不稳定。 CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4 3.同位素示踪法研究酯的水解反应 (1)方法:将乙酸乙酯与O在硫酸催化下加热水解,检测18O的分布情况,判断酯水解时的断键情况。 (2)反应机理 由此可以判断,酯在水解过程中断开的是酯中的 键,水中的 —18OH连接在 键上形成羧酸。 ① ① 4.反应机理研究手段——仪器分析 利用质谱仪可以检测出乙烯与溴化氢发生的加成反应过程中产生的中间体——乙基碳正离子(CH3H2),据此推断该反应为 反应,反应机理如下: 第一步:HBr→H++Br- H++CH2==CH2→CH3H2 离子型 第二步:CH3H2+Br-→CH3CH2Br 总反应的化学方程式:HBr+CH2==CH2→CH3CH2Br。 1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。 (1)Cl2在水中也能产生Cl-,因此氯水可以和CH4发生取代反应。( ) (2)根据CH4和Cl2反应的机理,反应不能得到纯净的CH3Cl。( ) (3)1 mol CH4和1 mol Cl2在光照条件下发生反应,得到1 mol CH3Cl和 1 mol HCl。( ) [题点多维训练] × √ × (4)同位素示踪法是研究反应机理的唯一方法。 ( ) (5)CH3—CH==CH2和HBr的加成反应中,利用质谱仪检测出反应过程中产生两种中间体,CH3—H—CH3和CH3—CH2—H2,则最终的加成产物应为2种。( ) × √ 2.冰箱制冷剂氟氯甲烷在高空中受紫外线辐射产生Cl原子,并进行下列反应:O3→O2+O,Cl+O3→ClO+O2,ClO+O→Cl+O2,下列说法不正确的是 (　　) A.反应后将O3转变为O2 B.Cl原子是总反应的催化剂 C.氟氯甲烷是总反应的催化剂 D.Cl原子反复起分解O3的作用 √ 解析:本反应是自由基反应,Cl原子是总反应的催化剂:2O3 3O2。氟氯甲烷只是提供这种催化剂的物质,因此C选项不正确。 3.将CH3COOH和H18O—C2H5混合发生酯化反应,已知酯化反应是可逆反应,反应达到平衡后下列说法中正确的是 (　　) A.18O存在于所有物质中 B.18O仅存在于乙醇和乙酸乙酯中 C.18O仅存在于乙醇和水中 D.有的乙醇分子可能不含18O √ 解析:酯化反应的规律为酸脱羟基醇脱氢,后结合生成水,乙酸乙酯水解时的断键方式是从形成的酯基处断开,因此18O只能存在于乙醇和乙酸乙酯中。 命题热点 有机催化反应机理分析 　[典例]　(2024·无锡期末)碳酸二甲酯是一种重要的绿色化工产品。以Nb(OCH3)5催化甲醇和二氧化碳直接合成碳酸二甲酯的反应机理如图所示。下列有关说法错误的是 (　　) A.化合物X是H2O B.反应①中可能有Nb—O的形成 C.该反应的原子利用率为100% D.该催化循环过程中Nb元素的化合价发生了变化 [解析]　根据反应前后各种元素的原子数目不变,根据图示可知:该反应总方程式是2CH3OH+CO2 O==C(OCH3)2+H2O,则化合物X是H2O,A正确; √ 反应①的方程式为(CH3O)4NbOCH3+CO2→ ,该过程中有Nb—O键的断裂与形成,B正确; 总反应中有水生成,反应物中原子没有完全转化为碳酸二甲酯,原子利用率没有达到100%,C错误; 反应②中有机物 中Nb与5个O成键,而在中间产物中Nb与6个O成键,Nb元素的化合价发生了变化,D正确。 |思维建模|催化反应机理题的两步解题流程　 第一步:通览全图,找准一“剂”三“物” 一“剂”指催化剂 催化剂在机理图中多数是以完整的循环出现的,以催化剂粒子为主体的多个物种一定在机理图中的主线上 三“物”指反应物、生成物、中间物种(或中间体) 反应物 通过一个箭头进入整个历程的物质是反应物 生成物 通过一个箭头最终脱离整个历程的物质一般多是生成物 三“物”指反应物、生成物、中间物种(或中间体) 中间体 通过一个箭头脱离整个历程,但又通过一个箭头进入历程或通过两个箭头参与整个历程的物质是中间体,中间体有时在反应历程中用“[　]”标出 续表 第二步:逐项分析,获取正确答案 由第一步题给情境信息,找出催化剂、反应物、生成物、中间体,再结合每一选项设计的问题逐项分析判断,选出正确答案。 1.我国科研人员提出了由CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH的催化反应历程。该历程示意图如图。下列说法不正确的是 (　　) [题点多维训练] A.生成CH3COOH总反应的原子利用率为100% B.催化剂不能提高反应物的平衡转化率 C.①→②吸收能量并形成了C—C键 D.CH4→CH3COOH过程中,有C—H键发生断裂 √ 解析:CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH,根据元素守恒,最终产物只有CH3COOH,总反应的原子利用率为100%,A正确;催化剂不能使平衡移动,催化剂不能提高反应物的平衡转化率,B正确;①的能量大于②,①→②放出能量,C错误;CH4→CH3COOH,甲烷选择性活化过程中有1个C—H键发生断裂,D正确。 2.(2024·唐山期末)利用有机分子模拟生物体内“醛缩酶”催化Diels⁃Alder反应取得重要进展。某Diels⁃Alder反应催化机理如下, (1)由机理图可推知,化合物X的电子式为　　 。  解析:由催化机理可知,总反应为 ;Ⅰ+Ⅵ X+Ⅱ,由Ⅰ、Ⅵ、Ⅱ的结构简式可知,X为H2O,其电子式为H︰︰H。通过Diels⁃Alder反应的机理推出有机副产物为 。 H︰︰H → (2)反应的总反应为 。 解析:由催化机理可知,总反应为 ;Ⅰ+Ⅵ X+Ⅱ,由Ⅰ、Ⅵ、Ⅱ的结构简式可知,X为H2O,其电子式为H︰︰H。通过Diels⁃Alder反应的机理推出有机副产物为 。 → (3)若原料中混有丙烯,则有机副产物的结构简式为　 　　　。  解析:由催化机理可知,总反应为 ;Ⅰ+Ⅵ X+Ⅱ,由Ⅰ、Ⅵ、Ⅱ的结构简式可知,X为H2O,其电子式为H︰︰H。通过Diels⁃Alder反应的机理推出有机副产物为 。 → 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1.CH4与Cl2反应的机理是 ①Cl2 ·Cl+·Cl ②·Cl+CH4→·CH3+HCl ③·CH3+Cl2→·Cl+CH3Cl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 则下列说法正确的是 (　　) A.可以得到纯净的CH3Cl B.产物中最多的是HCl C.该反应需一直光照 D.产物中CH3Cl、CH2Cl2、CHCl3、CCl4物质的量相等 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 解析:由反应机理②知,·Cl与烃中的氢原子结合生成HCl,故产物中有机物除CH3Cl外还有CH2Cl2、CHCl3、CCl4,物质的量无法确定,最多的产物为HCl,故A、D项错误,B项正确;由反应机理②③知CH4+Cl2 CH3Cl+HCl,·Cl起催化作用,故一旦光照下产生·Cl,反应即可进行,C项错误。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 2.已知CH3COOH在水溶液中存在下列平衡: ,当 和乙醇发生酯化反应时,不可能生成的是(　　) A. B. C.H2O D.O 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:乙酸和乙醇发生酯化反应的机理为羧酸脱去羟基、醇脱去氢原子,据题干信息知,18O可以存在于 或O中,不可能存在于 中,故选B。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 3.若乙酸分子中的氧都是18O,乙醇分子中的氧都是16O,二者在浓硫酸作用下加热发生反应,一段时间后,分子中含有18O的物质有 (　　) A.1种　 B.2种 C.3种 D.4种 解析:由 +H—16OC2H5 +O,故生成的酯、水中均含有18O,此反应为可逆反应,乙酸本身也含有18O。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 4.研究表明,臭氧层的破坏与“氟利昂”的排放密切相关,其化学反应机理如图[以二氯二氟甲烷(CF2Cl2)为例],下列说法不正确的是 (　　) A.紫外线使CF2Cl2分解产生的Cl·是臭氧生成氧气的催化剂 B.ClOOCl(过氧化氯)中含有非极性共价键 C.CF2Cl2分解为CF2Cl·和Cl·,反应中有化学键的断裂和形成 D.臭氧层被破坏的关键因素是氟利昂和紫外线 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:A项,由反应机理可知,生成的Cl·促进臭氧分解生成氧气,最后又生成Cl·,所以Cl·是臭氧分解生成氧气的催化剂,正确;B项,ClOOCl相当于H2O2中的H被Cl取代形成,其结构式为Cl—O—O—Cl,所以ClOOCl中含有非极性键,正确;C项,CF2Cl2分解为CF2Cl·和Cl·,反应中有化学键的断裂,没有化学键的形成,错误;D项,氟利昂在紫外线条件下产生的Cl·能促进臭氧分解生成氧气,臭氧层被破坏的关键因素是氟利昂和紫外线,正确。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 5.用18O标记的叔丁醇[(CH3)3C—18OH]与乙酸发生酯化反应(记为反应①)、用18O标记的乙醇(C2H5—18OH)与硝酸发生酯化反应(记为反应②)后,18O都存在于水中。关于上述两个反应机理有这样两个解释: Ⅰ.酸提供羟基、醇提供羟基上的氢原子结合成水; Ⅱ.醇提供羟基、酸提供羟基上的氢原子结合成水。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 下列叙述中正确的是 (　　) A.①②两个反应的机理都是Ⅰ B.①②两个反应的机理都是Ⅱ C.①的机理是Ⅰ,②的机理是Ⅱ D.①的机理是Ⅱ,②的机理是Ⅰ √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:用18O标记的叔丁醇[(CH3)3C—18OH]与乙酸发生酯化反应,反应后18O存在于水中,说明发生酯化反应,乙酸脱去羟基上的氢原子,叔丁醇脱去含有18O的—18OH。用18O标记的乙醇(C2H5—18OH)与硝酸发生酯化反应后,18O存在于水中,说明醇与硝酸发生酯化反应,酸脱去羟基上的氢原子,乙醇脱去含18O的—18OH。结论是在发生酯化反应时的反应机理是酸脱羟基上的氢原子,醇脱羟基。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 6.以下是镍催化乙烯与氢气的反应机理示意图,下列说法不正确的是 (　　) 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 A.乙烯与氢气发生加成反应 B.过程②吸收能量,过程③④释放能量 C.反应中有非极性键断裂、极性键形成 D.催化剂可改变反应的能量变化 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:乙烯含有碳碳双键,与氢气发生加成反应生成乙烷,A正确;过程②断裂化学键吸收能量,过程③④形成化学键释放能量,B正确;H—H键是非极性键,C—H键是极性键,因此反应中有非极性键断裂、极性键形成,C正确;催化剂可改变反应的活化能,但不能改变反应的能量变化, D错误。 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 7.1912年,法国化学家格利雅(Victor Grignard)因发现了有机镁试剂(也称为格氏试剂,简写为RMgX)及其在有机合成中的应用而获得了诺贝尔化学奖。其反应机理是带有负电性的烃基与带有正电性的基团结合,从而发生取代或加成反应,下列反应的有机产物不合理的是 (　　) A.RMgBr+H2O→ROH B.RMgBr+R'Br→R—R' C.RMgBr+CO2 RCOOH D.RMgBr+ RCH2CH2OH 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:A项,反应中负电性的烃基R—与负电性的—OH结合,不符合题述反应机理,错误;B项,反应中负电性的烃基R—与正电性的—R'结合,符合题述反应机理,正确;C项,反应中负电性的烃基R—与正电性的 —COOH结合,符合题述反应机理,正确;D项,反应中负电性的烃基 R—与正电性的—CH2CH2OH结合,符合题述反应机理,正确。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 8.如图所示,乙酸跟乙醇在浓硫酸存在并加热的条件下发生酯化反应(反应A),其逆反应是水解反应(反应B)。反应可能经历了生成中间体(Ⅰ)这一步。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 (1)如果将反应按加成、取代等反应分类,则A~F六个反应中(将字母代号填入下列横线上),属于取代反应的是　　　;属于加成反应的是　　　。   解析:酯化反应属于取代反应,其逆反应也是取代反应,从乙酸与乙醇到中间体(Ⅰ)的反应C是加成反应,从乙酸乙酯到中间体(Ⅰ)也是加成反应。 AB CF (2)中间体(Ⅰ)属于有机物的　　　　类。   醇和醚 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 (3)①如果将原料C2H5OH中的氧原子用18O标记,则生成物乙酸乙酯中是否有18O?　　　　 　　　　　　　　　　　　　。  解析:如果原料C2H5OH中的氧原子用18O 标记,根据酯化反应的机理,18O应在酯中,不在水中; 有,因为酯化反应的机理是羧酸脱羟基醇脱氢 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 ②如果将原料 中羟基的氧原子用18O标记,则生成物H2O中的氧原子是否有18O?试简述你作此判断的理由。____________ 　 。  解析:如果将原料 中羟基的氧原子用18O标记,根据酯化反应中羧酸提供羟基,18O会在H2O中出现。 有,因为酯化 反应中羧酸提供羟基,故18O会在H2O中出现 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 9.已知有机物分子中的同一碳原子上连接两个羟基是不稳定的,会自动脱水: 。 有人提出了醇氧化的两种可能过程: ①去氢氧化: ,失去的氢原子再和氧原子结合成水分子; ②加氧氧化: ,反应过程为先加氧后脱水。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 (1)请在方框中填写加氧氧化的中间产物的结构简式。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 (2)要证明这两种过程哪一种是正确的,我们仍然准备用同位素示踪法。用18O2和铜催化剂在一定的温度下氧化乙醇。下列有关说法正确的是　　　　______(填字母)。  A.若18O只存在于产物H2O分子中,则说明乙醇的氧化是按过程①进行的 B.若在产物H2O分子中含有18O,则说明乙醇的氧化是按过程①进行的 C.若在产物乙醛分子中含有18O,则说明乙醇的氧化是按过程②进行的 D.若乙醇的氧化按过程②进行,则18O只能存在于产物乙醛分子中 AC 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 高阶思维训练 10.(2024·衡水质量检测)以金属钌作催化剂,CO2经过以下步骤可直接转化为甲醇,有助于实现碳中和,转化原理如图所示。下列叙述不正确的是(　　) √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 A. 也是该转化过程的催化剂 B.第1步转化过程涉及的反应类型是加成反应和复分解反应 C.第4步转化,参加反应的物质个数之比为1∶2 D.该转化过程的总反应式为CO2+3H2 CH3OH+H2O 10 1 2 4 5 6 7 8 9 11 3 解析: 在反应过程中参加反应,在最后又反应产生,A正确;第1步转化过程先加成生成羧基,羧基和氨基发生中和反应, B正确;第4步转化是聚合物与氢气发生反应,故参加反应的物质个数之比为1∶2n,C错误;二氧化碳和氢气为反应物,甲醇和水为生成物,所以化学反应方程式为CO2+3H2 CH3OH+H2O,D正确。 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 11.(2024·徐州期末)催化苯酚氧化羰基化合成某些有机物的反应机理如图所示(图中个别反应物未列出,Ph为苯环): 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 下列有关该反应机理的说法错误的是 (　　) A.PdCl2为该反应的催化剂 B. 是反应的中间产物 C.Cl—Pd—OPh+CO→ 属于加成反应 D.反应的总化学方程式为4PhOH+2CO+O2 √ 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 3 解析:通过机理图可看出PdCl2为催化剂,故A正确;在反应过程中生成了 ,其又参与后续的反应,为反应的中间产物,故B正确;观察反应Cl—Pd—OPh+CO→ ,可看出是CO中的三键被打开进行反应,但不符合加成反应的特点,故C错误;从机理图可看出,PhOH电离后与O2、CO反应,最后生成 ,故D正确。 $$