微项目 改进手机电池中的离子导体材料——有机合成在新型材料研发中的应用（同步讲义）化学鲁科版选择性必修3

微项目 改进手机电池中的离子导体材料 ——有机合成在新型材料研发中的应用 教学目标 1.通过设计手机新型电池中的离子导体材料，将研究材料性能问题转化为研究有机化合物的性质问题，聚焦有机化合物的功能基团，设计高分子化合物的分子结构，建立从化学视角分析、解决材料问题的思路和方法。 2.合理应用逆推法和正推法设计有机材料的合成路线，并通过合成路线的选择和评价活动，体会官能团保护、“绿色化学”等思想。 重点和难点 重点：设计高分子化合物。 难点：合成路线的选择和评价。 ◆知识点一 设计手机新型电池中离子导体材料的结构 1．锂离子电池的工作原理及其有机溶剂的作用 电池组成 工作原理 有机溶剂的作用 负极：石墨 正极：过渡金属氧化物 离子导体：溶解有锂盐的有机溶剂 放电时：Li＋从负极移向正极； 充电时：Li＋从正极移向负极 溶解锂盐，起到传导锂离子的作用 2.传统锂离子电池的离子导体材料 (1)传统锂离子电池的离子导体材料的组成 (2)传统锂离子电池中组成离子导体的几种常见碳酸酯类溶剂 名称 碳酸丙烯酯 碳酸丁烯酯 碳酸乙烯酯 符号 PC BC EC 结构 名称 碳酸二甲酯 碳酸甲乙酯 碳酸二乙酯 符号 DMC EMC DEC 结构 3.设计离子导体中有机溶剂的结构 (1)设计离子导体中新型的有机溶剂的思路 溶剂需同时具备溶解并传导锂离子两种性能，酯基的存在能够很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性，醚键的存在能提高锂离子传导效果，有机高分子性能稳定且为固态，满足安全性要求。 (2)科学家对离子导体中有机溶剂合成的设计 即学即练 1．下列对于锂离子电池所用材料分类不正确的是(　　) A B C D 正极(LiCoO2) 负极(C) 电解液(碳酸丙烯酯) 隔膜(聚烯烃) 无机物 有机物 酯类 合成高分子 【答案】B 【解析】LiCoO2属于无机物，A项正确；碳为单质，是无机物，B项错误；碳酸丙烯酯的结构是，属于酯类，C项正确；聚烯烃是由烯烃通过加聚反应得到的高分子化合物，D项正确。 ◆知识点二 合成离子导体材料中有机溶剂的单体 1．设计二缩三乙二醇的合成路线，画出流程图： 。 2．用逆推法分析合成丙烯酸丁酯的原料并设计合成路线 示例1 参考合成路线： 示例2 参考合成路线： 即学即练 1．磺化聚苯醚(SPPO)质子交换膜在燃料电池领域有广阔的应用前景。合成聚苯醚(PPO)并将其改性制备SPPO的路线如下： 下列说法不正确的是(　　) A．2,6-二甲基苯酚能与饱和溴水发生取代反应 B．常温下2,6-二甲基苯酚易溶于水 C．2,6-二甲基苯酚与O2发生氧化反应生成PPO D．PPO合成SPPO的反应是 　 【答案】B 【解析】2,6-二甲基苯酚()中苯环上酚羟基的对位上有氢原子，能与饱和溴水发生取代反应，故A正确；2,6-二甲基苯酚与苯酚互为同系物，结构相似，性质具有相似性，且甲基为憎水基团，常温下2,6-二甲基苯酚在水中的溶解度比苯酚小，故B错误。 基础达标 1.下面是逆合成分析法中的三个步骤：①对不同的合成路线进行优选；②由目标分子逆推原料分子并设计合成路线；③观察目标分子的结构。正确的顺序为(　　) A.①②③ B.③②① C.②③① D.②①③ 【答案】B 【解析】逆合成分析法可表示为目标化合物→中间物质→基础原料。故正确的顺序为③②①。 2.“绿色化学”是当今社会提出的一个新概念。在“绿色化学工艺”中，理想状态是指反应物中的原子全部转化为欲制得的产物，即原子利用率为100%。下列物质与甲烷反应制取乙酸乙酯，原子利用率达到100%的是(　　) A.CO B.CO2和H2O C.H2O D.CH3OH和O2 【答案】A 【解析】由CH4→C4H8O2，H原子全部来自CH4，生成1 mol C4H8O2需2 mol CH4。缺2 mol C原子与2 mol O原子，所以A项合理。原子的利用率达到100%。其他均不可能。 3.一种3D打印机的柔性电池以碳纳米管作电极材料，以吸收ZnSO4溶液的有机高聚物为同态电解质，其电池总反应为MnO2＋Zn＋H2O＋ZnSO4MnOOH＋ZnSO4·3Zn(OH)2·xH2O，其电池结构如图1所示，图2是有机高聚物的结构片段。下列说法不正确的是(　　) A.放电时，含有锌膜的碳纳米管纤维作电池负极 B.有机高聚物中含有的化学键有极性键、非极性键和氢键 C.合成有机高聚物的单体是 D.放电时，电极的正极反应为MnO2＋e－＋H2O===MnOOH＋OH－ 【答案】B 【解析】有机高聚物中含有的化学键有极性键和非极性键，氢键属于分子间作用力，不属于化学键，故B错误。 4.MMA()是合成有机玻璃的单体，下面是MMA的两条合成路线。 下列有关说法中不正确的是(　　) A.路线一中的副产物对设备具有腐蚀性 B.路线一中涉及的反应全部为加成反应 C.路线二中原子利用率理论上为100% D.MMA与水在一定条件下能发生取代反应 【答案】B 【解析】路线一中的副产物为NH4HSO4，其能电离出H＋，可腐蚀设备，故A正确；线路一中反应①为加成反应，反应②不涉及加成反应，故B错误；路线二中反应无副产物生成，原子利用率理论上为100%，故C正确；MMA中含有酯基，可在一定条件下水解，发生取代反应，故D正确。 5.下图是某种锂离子电池的工作原理图，该离子导体中有机溶剂为碳酸甲乙酯()。 下列有关该锂离子电池中离子导体中有机溶剂的说法错误的是(　　) A.碳酸甲乙酯中含有的官能团为酯基 B.碳酸甲乙酯中碳原子有两种杂化方式：sp2杂化和sp3杂化 C.碳酸甲乙酯在酸性条件下能发生水解反应，生成两种物质 D.碳酸甲乙酯中含有极性键和非极性键 【答案】C 【解析】碳酸甲乙酯在酸性条件下水解生成甲醇、乙醇和碳酸，C项错误。 6.以丙烯为基础原料，可制备离子导体材料中有机溶剂的单体丙烯酸丁酯，其合成路线如下： 下列判断错误的是(　　) A.反应①是一个碳链增长的反应 B.反应②是还原反应，可以通过加成的方式实现 C.反应③需要的条件是浓硫酸和加热 D.该合成工艺的原子利用率为100% 【答案】D 【解析】对比反应①的反应物和生成物，可知反应①是一个碳链增长的反应，A项正确；反应②是醛基被还原为羟基，在一定条件下，醛基与H2加成可得到羟基，B项正确；反应③是酯化反应，反应条件是浓硫酸和加热，C项正确；反应③有水生成，故该合成工艺的原子利用率小于100%，D项错误。 7.线型PAA()具有高吸水性，网状PAA在抗压性、吸水性等方面优于线型PAA。网状PAA的制备方法是：将丙烯酸用NaOH中和，加入少量交联剂a，再引发聚合。网状PAA的部分结构片段如图所示，下列说法不正确的是(　　) A.线型PAA的单体不存在顺反异构体 B.形成网状结构的过程发生了加聚反应 C.交联剂a的结构简式是 D.PAA的高吸水性与—COONa有关 【答案】C 【解析】线型PAA()的单体为丙烯酸钠，不存在顺反异构体，A项正确；丙烯酸钠与交联剂a发生加聚反应生成网状PAA，B项正确；根据网状PAA聚合物的部分片段可知交联剂a的结构简式为，C项错误；PAA的高吸水性与—COONa有关D项正确。 8.聚碳酸酯高分子材料PC的透光率好，可制作车、船、飞机的挡风玻璃，以及眼镜镜片、光盘、唱片等，其合成反应为： 下列说法不正确的是(　　) A.合成PC的反应为缩聚反应 B.W是甲醇 【答案】C 【解析】合成PC的反应生成了高分子化合物和小分子物质，属于缩聚反应，故A正确；由合成PC的反应可推知W是甲醇，故B正确；同系物中官能团的种类和数目要相同，并且苯环的数目也要相同。不互为同系物，故C错误；中有四种不同化学环境的氢原子，故其核磁共振氢谱有4个吸收峰，故D正确。 9.合成导电高分子材料PPV的反应如下。 下列说法正确的是(　　) A.合成PPV的反应为加聚反应 B.1 mol PPV最多能与4 mol H2发生加成反应 C. 与溴水加成后的产物最多有14个原子共平面 D. 和苯乙烯互为同系物 【答案】C 【解析】合成PPV的同时有小分子物质HI生成，故PPV通过缩聚反应生成，A错误；1 mol PPV中含有2n mol碳碳双键，2n mol苯环，最多能与8n mol H2发生加成反应，B错误；与溴水加成后的产物为，根据苯分子中12个原子共面、甲烷为正四面体结构可知，该分子中最多有14个原子共平面，C正确；和苯乙烯相差C2H2，不是相差n个CH2不互为同系物，D错误。 10.VC－PMHS()是一种优良的锂离子电池固态聚合物电解质，其合成路线如下： 下列说法错误的是(　　) A.VC－PMHS为高分子化合物 B.步骤①的反应为取代反应 C.步骤②的反应为取代反应 D.步骤②的反应的原子利用率为100%，符合“绿色化学”的思想 【答案】C 【解析】由VC－PMHS的结构简式可知，VC－PMHS为高分子化合物，A项正确。对比步骤①的反应物与生成物的结构可知，该反应可以看作中2个羟基H原子被取代，除生成目标产物CECA外，还生成2分子的乙醇，该反应为取代反应，B项正确。对比步骤②的反应物和生成物，可知该反应为加成反应，且该反应的原子利用率为100%，符合“绿色化学”的思想，C项错误，D项正确。 综合应用 11.喹啉()是治疗新冠肺炎的药物氯喹的基础原料，其合成路线如下： 下列有关说法正确的是(　　) A.C→D的反应条件为NaOH醇溶液、加热 B.可以用溴水检验化合物E中的碳碳双键 C.F→G和G→J的反应类型分别为取代反应和还原反应 D.与喹啉互为同分异构体，且含有碳碳双键和氰基(—CN)的芳香族化合物共有4种 【答案】C 【解析】与Cl2在加热条件下发生取代反应生成，与Cl2发生加成反应生成C：，C与NaOH的水溶液共热发生取代反应生成D：，D与浓硫酸共热发生反应生成E：；F是苯，苯与浓硫酸、浓硝酸混合加热发生取代反应生成G：，G在Fe、HCl存在条件下发生还原反应生成J：。C是，与NaOH的水溶液共热，发生取代反应生成D，A项错误；溴水不仅可以与碳碳双键发生加成反应，也能将醛基氧化为羧基，醛基的存在对碳碳双键的检验构成干扰，因此不能只用溴水来检验E中的碳碳双键，B项错误；F→G是取代反应，G→J是还原反应，C项正确；符合条件的同分异构体有，共5种，D项错误。 12.香叶醇、橙花醇和乙酸橙花酯在工业上用作香料，它们可由月桂烯来合成。 下列说法正确的是(　　) A.反应①②③均为取代反应 B.月桂烯分子中所有碳原子处在同一平面上 C.香叶醇和橙花醇具有相同的结构 D.乙酸橙花酯可以发生取代、加成、氧化和聚合反应 【答案】D 【解析】反应①是月桂烯和HCl发生加成反应，故A错误；月桂烯分子中所有碳原子不可能处在同一平面上，故B错误；根据香叶醇和橙花醇的结构可知二者具有不同的结构，故C错误；乙酸橙花酯分子中含有酯基，可发生水解反应，也属于取代反应，含有碳碳双键.能与氢气等发生加成反应，能与酸性高锰酸钾溶液发生氧化反应.也能发生加聚反应，故D正确。 13.传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质，其在酯类溶剂中有较好的溶解性，酯类溶剂有碳酸乙烯酯等。一种以、CO2及O2为原料，在一定条件下制备碳酸乙烯酯的反应如下： 下列有关碳酸乙烯酯的说法正确的是(　　) A.是一种有机溶剂，只能溶解有机化合物 B.含有2种官能团 C.是一种离子导体 D.该制备反应的原子利用率为100% 【答案】D 【解析】碳酸乙烯酯作为传统锂离子电池中离子导体的溶剂，用于溶解锂盐，锂盐为无机化合物，碳酸乙烯酯是离子导体的一部分，A、C项错误；由碳酸乙烯酯的结构简式可知其官能团只有酯基，B项错误；由题干给出的由乙烯、氧气、二氧化碳制备碳酸乙烯酯的反应可知，该反应为加成反应，原子利用率为100%，D项正确。 14．一种以石墨和过渡金属氧化物作电极材料、以固态有机高聚物作电解质溶剂的锂离子电池，其工作原理如图1所示，图2是合成有机高聚物的单体的结构简式。下列说法正确的是(　　) A．放电时，外电路电子由过渡金属氧化物电极流向石墨电极 B．充电时，石墨电极作为阳极，过渡金属氧化物作为阴极 C．图2所示的两种单体可通过缩聚反应生成有机高聚物溶剂 D．有机高聚物溶剂分子中含醚键和酯基 【答案】D 【解析】根据图1可以知道石墨是负极，放电时，电子从负极流向正极，即由石墨电极流向过渡金属氧化物电极，故A错误；充电时，石墨电极作为阴极，过渡金属氧化物电极作为阳极，故B错误；图2所示的两种单体含有碳碳双键，可通过加聚反应生成有机高聚物溶剂，故C错误；根据合成有机高聚物的单体的结构简式知道分子中含醚键和酯基，故D正确。 15．高分子N可用于制备聚合物离子导体，其合成路线如图。下列说法不正确的是(　　) A．苯乙烯不存在顺反异构体 B．试剂a为 C．试剂b为HO(CH2CH2O)mCH3 D．反应1为加聚反应，反应2为缩聚反应 【答案】D 【解析】碳碳双键的1个C原子上连有2个H原子，所以苯乙烯不存在顺反异构体，故A正确；苯乙烯和a发生加聚反应生成高分子M，根据M的结构简式可知，a的结构简式为，故B正确；M和b发生加成反应生成N，根据M和N的结构简式可知，b的结构简式为HO(CH2CH2O)mCH3，故C正确；反应2为加成反应，故D不正确。 16.科学家合成了一种能自动愈合自身内部细微裂纹的神奇塑料，合成路线如图所示： 下列说法正确的是(　　) A.甲的化学名称为2，4－环戊二烯 B.一定条件下，1 mol乙与1 mol H2加成的产物可能为 C.若神奇塑料的平均相对分子质量为10 000，则其平均聚合度约为90 D.甲的所有链状不饱和烃稳定结构的同分异构体有四种 【答案】D 【解析】碳原子编号应从距离官能团最近的碳原子开始，该物质正确命名应为1，3－环戊二烯，故A错误；化合物乙中没有共轭双键，加成后不会再形成新的双键，故B错误；神奇塑料的链节相对分子质量为132，平均聚合度为≈76，故C错误；甲的不饱和度为3，因此稳定的链状烃应含有一个双键和一个三键，符合条件的结构有：、、、，共4种，故D正确。 17.目前手机屏幕主要由保护玻璃、触控层以及下面的液晶显示屏三部分组成。下面是工业上用丙烯(A)和有机物C(C7H6O3)为原料合成液晶显示器材料(F)的主要流程。 (1)化合物C的结构简式为________。写出B中官能团的名称：________。 (2)题述流程中属于取代反应的是________(填字母)。 A.仅①②③ B.仅①③④ C.仅②③④ D.①②③④ (3)写出B与NaOH水溶液共热所发生反应的化学方程式：____________________________________。 (4)下列关于化合物D的说法正确的有________(填序号)。 A.属于酯类化合物 B.1 mol D最多能与4 mol H2发生加成反应 C.一定条件下能发生加聚反应 D.D不能与NaHCO3溶液反应 (5)写出符合下列条件的化合物C的同分异构体的结构简式________(任写一种)。 ①苯环上的一溴代物只有2种 ②能发生银镜反应 ③苯环上有3个取代基 【答案】(1) 　碳碳双键、溴原子(碳溴键) (2)D (4)BC (5) 【解析】(1)有机物C的分子式为C7H6O3，结合D的结构简式，可推知C为，故丙烯与溴在高温条件下生成的B为，B中含有的官能团有碳碳双键、溴原子(碳溴键)。(2)反应①、②为取代反应；由D、E的结构简式可知，反应③是D的羧基中的—OH被氯原子取代生成E，即反应③是取代反应；由E、F的结构简式可知，反应④是E中氯原子被取代生成F，即反应④是取代反应。(3)B为，在碱性条件下水解生成，化学方程式为＋NaBr。(4)化合物D中不含酯基，不属于酯类化合物，A项错误；苯环、碳碳双键均能与氢气发生加成反应，1 mol D最多能与4 mol H2发生加成反应，B项正确；D中含有碳碳双键，可以发生加聚反应，C项正确；D中含有羧基，能与NaHCO3溶液反应生成CO2气体，D项错误。(5)①苯环上的一溴代物只有2种，说明苯环上有2种不同化学环境的氢原子，②能发生银镜反应，说明含有结构，③苯环上有3个取代基，取代基为—CHO、2个—OH，符合条件的C的同分异构体的结构简式有。 18.A(C2H2)是基本有机化工原料。由A制备聚乙烯醇缩丁醛和顺式聚异戊二烯的合成路线(部分反应条件略去)如图所示： 回答下列问题： (1)A的名称是________，B含有的官能团是________。 (2)①的反应类型是________，⑦的反应类型是________。 (3)C和D的结构简式分别为________、________。 (4)异戊二烯分子中最多有________个原子共平面，顺式聚异戊二烯的结构简式为________。 (5)写出与A具有相同官能团的异戊二烯的所有同分异构体：____________________(填结构简式)。 (6)参照异戊二烯的上述合成路线，设计一条由A和乙醛为起始原料制备1，3－丁二烯的合成路线。 【答案】(1)乙炔　碳碳双键和酯基　(2)加成反应　消去反应 【解析】分析题给合成路线，对比反应前后所给物质的分子式、结构简式以及反应条件可以推出：A为乙炔，结构简式为，B的结构简式为，C的结构简式为，D的结构简式为CH3CH2CH2CHO。(1)A为乙炔，B中含有碳碳双键和酯基两种官能团。 (2)由A和乙酸的分子式以及B的分子式，可推出反应①为加成反应；分析反应⑦中反应物和生成物可知，此反应为消去反应。(3)C的结构简式为，D的结构简式为CH3CH2CH2CHO。(4)根据烯烃的共面原理以及碳碳单键可以旋转，可知共面的原子最多为11个；书写顺式聚异戊二烯结构时要注意不能写成反式结构。(5)A的官能团为碳碳三键，书写含5个碳原子的炔烃的同分异构体时可以先写出戊烷的碳骨架结构，然后把碳碳三键添上，再补齐氢原子，得出结构： 。(6)根据题给条件，仿照异戊二烯的合成，可设计如下合成路线： 拓展培优 19.阿司匹林(化合物L)是人们熟知的解热镇痛药物。一种长效缓释阿司匹林(化合物P，其结构简式为的合成路线如图所示： (1)A中的官能团是________。 (2)C的结构简式是________。 (3)D→E的反应类型是________。 (4)写出E→G的化学方程式：____________________________________________________________________。 (5)已知：H是芳香族化合物。L在体内可较快转化为具有药效的J，而化合物P与L相比，在体内能缓慢持续释放J。 ①血液中J浓度过高能使人中毒，可静脉滴注NaHCO3 溶液解毒。请用化学方程式解释此原理：__________________________________________________________________。 ②写出J→L的化学方程式：____________________________________________。 此反应的副反应是J自身发生缩聚，写出副反应产物的结构简式：___________________________。 【答案】(1)羟基　(2) 　(3)加聚反应 【解析】化合物P的结构简式：，并根据原料为乙醇和苯酚可知，需要构建的部位如图所示：，其中1、2部位可利用已知①、②的反应方式及加聚反应、酯化反应来构建，部位3的构建可从合成路线图中获知。根据以上分析及题给信息，化合物P的合成路线应为：先将乙醇连续氧化得到乙酸，再按已知①的反应方式与乙炔反应生成乙酸乙烯酯D：，进一步发生加聚反应得到E：，E按已知②的反应方式与乙醇反应得到G 和乙酸乙酯；H为苯酚，根据I的分子式和化合物P的结构简式可知，经H反应生成的I的结构简式为：，酸化后与反应生成L；G 发生酯化反应生成化合物P。(1)A为乙醇，官能团是羟基。(2)根据分析可知，乙醇连续氧化得到乙酸，再与C按已知①的反应方式生成，可推断C为。(3)D→E的反应是小分子在一定条件下生成高分子，所以该反应为加聚反应。(4)根据已知②，E→G的反应是和醇反应生成新的酯和新的醇，从产物F的分子式C4H8O2可知，F为乙酸乙酯，故该反应的化学方程式为：。 (5)①J是酸化后的产物，结构简式为：，其中所含—COOH酸性较强，比碳酸酸性强，可与NaHCO3反应除去，而酚羟基的酸性比碳酸弱，不能与NaHCO3反应，所以血液中的J用静脉滴注NaHCO3溶液解毒的化学方程式为： 20.菠萝酯F是一种具有菠萝香味的赋香剂，其合成路线如下： (1)A的结构简式为________，A中所含官能团的名称是________。 (2)由A生成B的反应类型是________，E的某同分异构体只有一种化学环境的氢，该同分异构体的结构简式为________。 (3)写出D和E反应生成F的化学方程式__________________________________________________。 (4)结合题给信息，以溴乙烷和环氧乙烷为原料制备1－丁醇，设计合成路线(其他试剂任选)。 合成路线流程图示例： CH3CH2ClCH3CH2OHCH3COOCH2CH3 【答案】(1) 　碳碳双键、醛基 (2)加成(或还原)反应　CH3COCH3 【解析】(1)由题目所给信息可知，生成A的反应为双烯加成反应：。根据结构简式可知，A中含有碳碳双键和醛基两种官能团。(2)A中含碳碳双键和醛基，能与H2发生加成反应：，由合成路线可知E为，和E互为同分异构体且只有一种化学环境的氢的物质的结构简式为。(3)D和E发生酯化反应，生成F的化学方程式为 (4)根据题目所给信息，CH3CH2Br与Mg在干醚作用下生成CH3CH2MgBr，CH3CH2MgBr与环氧乙烷在酸性条件下反应即可生成1－丁醇，其合成路线为CH3CH2Br。 21.碳酸二甲酯(简称DMC)是一种绿色化学品，可用于锂离子电池的电解质溶剂。一定条件下，合成DMC的一种方法如图所示： 回答下列问题： 该合成路线中所有反应的原子利用率均为100%，则化合物Ⅰ的名称是________，化合物Ⅱ的结构简式是________，反应②的反应类型是________________。 【答案】二氧化碳　　取代反应 【解析】因所有反应的原子利用率均为100%，则对比反应①的反应物和生成物的结构可知，化合物Ⅰ为CO2；对比反应②的反应物和生成物的结构可知，该反应为取代反应，生成物Ⅱ为。 22．在新型锂离子电池中，需要一种有机聚合物作为正、负极之间锂离子迁移的介质，该有机聚合物的单体之一(用G表示)的结构简式为，G的合成方法如图。 请回答下列问题： (1)反应①、⑤的反应类型分别为______、________。 (2)A的结构简式是________。 (3)写出2种含有—OH和—COOH的D的同分异构体的结构简式：___________、___________。 (4)写出B→C反应的化学方程式：___________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)写出E→F反应的化学方程式：___________________________________________ ________________________________________________________________________。 【答案】(1)加成反应　消去反应 (2) (3) (答案合理即可) (4)＋O2＋2H2O (5)＋ 【解析】(1)反应①是与溴发生加成反应生成A()；反应⑤是D[HOOCC(OH)(CH3)2]在浓硫酸作用下发生消去反应生成E[CH2==C(CH3)COOH]。(2)由(1)中分析可知，A的结构简式为。(3)含有—OH和—COOH的HOOCC(OH)(CH3)2的同分异构体有、、、。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 微项目 改进手机电池中的离子导体材料 ——有机合成在新型材料研发中的应用 教学目标 1.通过设计手机新型电池中的离子导体材料，将研究材料性能问题转化为研究有机化合物的性质问题，聚焦有机化合物的功能基团，设计高分子化合物的分子结构，建立从化学视角分析、解决材料问题的思路和方法。 2.合理应用逆推法和正推法设计有机材料的合成路线，并通过合成路线的选择和评价活动，体会官能团保护、“绿色化学”等思想。 重点和难点 重点：设计高分子化合物。 难点：合成路线的选择和评价。 ◆知识点一 设计手机新型电池中离子导体材料的结构 1．锂离子电池的工作原理及其有机溶剂的作用 电池组成 工作原理 有机溶剂的作用 负极：石墨 正极：过渡金属氧化物 离子导体：溶解有锂盐的有机溶剂 放电时：Li＋从负极移向正极； 充电时：Li＋从正极移向负极 溶解锂盐，起到传导锂离子的作用 2.传统锂离子电池的离子导体材料 (1)传统锂离子电池的离子导体材料的组成 (2)传统锂离子电池中组成离子导体的几种常见碳酸酯类溶剂 名称 碳酸丙烯酯 碳酸丁烯酯 碳酸乙烯酯 符号 PC BC EC 结构 名称 碳酸二甲酯 碳酸甲乙酯 碳酸二乙酯 符号 DMC EMC DEC 结构 3.设计离子导体中有机溶剂的结构 (1)设计离子导体中新型的有机溶剂的思路 溶剂需同时具备溶解并传导锂离子两种性能，酯基的存在能够很好地提高有机溶剂对锂盐的溶解性，醚键的存在能提高锂离子传导效果，有机高分子性能稳定且为固态，满足安全性要求。 (2)科学家对离子导体中有机溶剂合成的设计 即学即练 1．下列对于锂离子电池所用材料分类不正确的是(　　) A B C D 正极(LiCoO2) 负极(C) 电解液(碳酸丙烯酯) 隔膜(聚烯烃) 无机物 有机物 酯类 合成高分子 ◆知识点二 合成离子导体材料中有机溶剂的单体 1．设计二缩三乙二醇的合成路线，画出流程图： 。 2．用逆推法分析合成丙烯酸丁酯的原料并设计合成路线 示例1 参考合成路线： 示例2 参考合成路线： 即学即练 1．磺化聚苯醚(SPPO)质子交换膜在燃料电池领域有广阔的应用前景。合成聚苯醚(PPO)并将其改性制备SPPO的路线如下： 下列说法不正确的是(　　) A．2,6-二甲基苯酚能与饱和溴水发生取代反应 B．常温下2,6-二甲基苯酚易溶于水 C．2,6-二甲基苯酚与O2发生氧化反应生成PPO D．PPO合成SPPO的反应是 　 基础达标 1.下面是逆合成分析法中的三个步骤：①对不同的合成路线进行优选；②由目标分子逆推原料分子并设计合成路线；③观察目标分子的结构。正确的顺序为(　　) A.①②③ B.③②① C.②③① D.②①③ 2.“绿色化学”是当今社会提出的一个新概念。在“绿色化学工艺”中，理想状态是指反应物中的原子全部转化为欲制得的产物，即原子利用率为100%。下列物质与甲烷反应制取乙酸乙酯，原子利用率达到100%的是(　　) A.CO B.CO2和H2O C.H2O D.CH3OH和O2 3.一种3D打印机的柔性电池以碳纳米管作电极材料，以吸收ZnSO4溶液的有机高聚物为同态电解质，其电池总反应为MnO2＋Zn＋H2O＋ZnSO4MnOOH＋ZnSO4·3Zn(OH)2·xH2O，其电池结构如图1所示，图2是有机高聚物的结构片段。下列说法不正确的是(　　) A.放电时，含有锌膜的碳纳米管纤维作电池负极 B.有机高聚物中含有的化学键有极性键、非极性键和氢键 C.合成有机高聚物的单体是 D.放电时，电极的正极反应为MnO2＋e－＋H2O===MnOOH＋OH－ 4.MMA()是合成有机玻璃的单体，下面是MMA的两条合成路线。 下列有关说法中不正确的是(　　) A.路线一中的副产物对设备具有腐蚀性 B.路线一中涉及的反应全部为加成反应 C.路线二中原子利用率理论上为100% D.MMA与水在一定条件下能发生取代反应 5.下图是某种锂离子电池的工作原理图，该离子导体中有机溶剂为碳酸甲乙酯()。 下列有关该锂离子电池中离子导体中有机溶剂的说法错误的是(　　) A.碳酸甲乙酯中含有的官能团为酯基 B.碳酸甲乙酯中碳原子有两种杂化方式：sp2杂化和sp3杂化 C.碳酸甲乙酯在酸性条件下能发生水解反应，生成两种物质 D.碳酸甲乙酯中含有极性键和非极性键 6.以丙烯为基础原料，可制备离子导体材料中有机溶剂的单体丙烯酸丁酯，其合成路线如下： 下列判断错误的是(　　) A.反应①是一个碳链增长的反应 B.反应②是还原反应，可以通过加成的方式实现 C.反应③需要的条件是浓硫酸和加热 D.该合成工艺的原子利用率为100% 7.线型PAA()具有高吸水性，网状PAA在抗压性、吸水性等方面优于线型PAA。网状PAA的制备方法是：将丙烯酸用NaOH中和，加入少量交联剂a，再引发聚合。网状PAA的部分结构片段如图所示，下列说法不正确的是(　　) A.线型PAA的单体不存在顺反异构体 B.形成网状结构的过程发生了加聚反应 C.交联剂a的结构简式是 D.PAA的高吸水性与—COONa有关 8.聚碳酸酯高分子材料PC的透光率好，可制作车、船、飞机的挡风玻璃，以及眼镜镜片、光盘、唱片等，其合成反应为： 下列说法不正确的是(　　) A.合成PC的反应为缩聚反应 B.W是甲醇 9.合成导电高分子材料PPV的反应如下。 下列说法正确的是(　　) A.合成PPV的反应为加聚反应 B.1 mol PPV最多能与4 mol H2发生加成反应 C. 与溴水加成后的产物最多有14个原子共平面 D. 和苯乙烯互为同系物 10.VC－PMHS()是一种优良的锂离子电池固态聚合物电解质，其合成路线如下： 下列说法错误的是(　　) A.VC－PMHS为高分子化合物 B.步骤①的反应为取代反应 C.步骤②的反应为取代反应 D.步骤②的反应的原子利用率为100%，符合“绿色化学”的思想 综合应用11.喹啉()是治疗新冠肺炎的药物氯喹的基础原料，其合成路线如下： 下列有关说法正确的是(　　) A.C→D的反应条件为NaOH醇溶液、加热 B.可以用溴水检验化合物E中的碳碳双键 C.F→G和G→J的反应类型分别为取代反应和还原反应 D.与喹啉互为同分异构体，且含有碳碳双键和氰基(—CN)的芳香族化合物共有4种 12.香叶醇、橙花醇和乙酸橙花酯在工业上用作香料，它们可由月桂烯来合成。 下列说法正确的是(　　) A.反应①②③均为取代反应 B.月桂烯分子中所有碳原子处在同一平面上 C.香叶醇和橙花醇具有相同的结构 D.乙酸橙花酯可以发生取代、加成、氧化和聚合反应 13.传统锂离子电池中一般使用LiClO4、LiPF6、LiBF4等锂盐作为电解质，其在酯类溶剂中有较好的溶解性，酯类溶剂有碳酸乙烯酯等。一种以、CO2及O2为原料，在一定条件下制备碳酸乙烯酯的反应如下： 下列有关碳酸乙烯酯的说法正确的是(　　) A.是一种有机溶剂，只能溶解有机化合物 B.含有2种官能团 C.是一种离子导体 D.该制备反应的原子利用率为100% 14．一种以石墨和过渡金属氧化物作电极材料、以固态有机高聚物作电解质溶剂的锂离子电池，其工作原理如图1所示，图2是合成有机高聚物的单体的结构简式。下列说法正确的是(　　) A．放电时，外电路电子由过渡金属氧化物电极流向石墨电极 B．充电时，石墨电极作为阳极，过渡金属氧化物作为阴极 C．图2所示的两种单体可通过缩聚反应生成有机高聚物溶剂 D．有机高聚物溶剂分子中含醚键和酯基 15．高分子N可用于制备聚合物离子导体，其合成路线如图。下列说法不正确的是(　　) A．苯乙烯不存在顺反异构体 B．试剂a为 C．试剂b为HO(CH2CH2O)mCH3 D．反应1为加聚反应，反应2为缩聚反应 16.科学家合成了一种能自动愈合自身内部细微裂纹的神奇塑料，合成路线如图所示： 下列说法正确的是(　　) A.甲的化学名称为2，4－环戊二烯 B.一定条件下，1 mol乙与1 mol H2加成的产物可能为 C.若神奇塑料的平均相对分子质量为10 000，则其平均聚合度约为90 D.甲的所有链状不饱和烃稳定结构的同分异构体有四种 17.目前手机屏幕主要由保护玻璃、触控层以及下面的液晶显示屏三部分组成。下面是工业上用丙烯(A)和有机物C(C7H6O3)为原料合成液晶显示器材料(F)的主要流程。 (1)化合物C的结构简式为________。写出B中官能团的名称：________。 (2)题述流程中属于取代反应的是________(填字母)。 A.仅①②③ B.仅①③④ C.仅②③④ D.①②③④ (3)写出B与NaOH水溶液共热所发生反应的化学方程式：____________________________________。 (4)下列关于化合物D的说法正确的有________(填序号)。 A.属于酯类化合物 B.1 mol D最多能与4 mol H2发生加成反应 C.一定条件下能发生加聚反应 D.D不能与NaHCO3溶液反应 (5)写出符合下列条件的化合物C的同分异构体的结构简式________(任写一种)。 ①苯环上的一溴代物只有2种 ②能发生银镜反应 ③苯环上有3个取代基 18.A(C2H2)是基本有机化工原料。由A制备聚乙烯醇缩丁醛和顺式聚异戊二烯的合成路线(部分反应条件略去)如图所示： 回答下列问题： (1)A的名称是________，B含有的官能团是________。 (2)①的反应类型是________，⑦的反应类型是________。 (3)C和D的结构简式分别为________、________。 (4)异戊二烯分子中最多有________个原子共平面，顺式聚异戊二烯的结构简式为________。 (5)写出与A具有相同官能团的异戊二烯的所有同分异构体：____________________(填结构简式)。 (6)参照异戊二烯的上述合成路线，设计一条由A和乙醛为起始原料制备1，3－丁二烯的合成路线。 拓展培优 19.阿司匹林(化合物L)是人们熟知的解热镇痛药物。一种长效缓释阿司匹林(化合物P，其结构简式为的合成路线如图所示： (1)A中的官能团是________。 (2)C的结构简式是________。 (3)D→E的反应类型是________。 (4)写出E→G的化学方程式：____________________________________________________________________。 (5)已知：H是芳香族化合物。L在体内可较快转化为具有药效的J，而化合物P与L相比，在体内能缓慢持续释放J。 ①血液中J浓度过高能使人中毒，可静脉滴注NaHCO3 溶液解毒。请用化学方程式解释此原理：__________________________________________________________________。 ②写出J→L的化学方程式：____________________________________________。 此反应的副反应是J自身发生缩聚，写出副反应产物的结构简式：___________________________。 20.菠萝酯F是一种具有菠萝香味的赋香剂，其合成路线如下： (1)A的结构简式为________，A中所含官能团的名称是________。 (2)由A生成B的反应类型是________，E的某同分异构体只有一种化学环境的氢，该同分异构体的结构简式为________。 (3)写出D和E反应生成F的化学方程式__________________________________________________。 (4)结合题给信息，以溴乙烷和环氧乙烷为原料制备1－丁醇，设计合成路线(其他试剂任选)。 合成路线流程图示例： CH3CH2ClCH3CH2OHCH3COOCH2CH3 21.碳酸二甲酯(简称DMC)是一种绿色化学品，可用于锂离子电池的电解质溶剂。一定条件下，合成DMC的一种方法如图所示： 回答下列问题： 该合成路线中所有反应的原子利用率均为100%，则化合物Ⅰ的名称是________，化合物Ⅱ的结构简式是________，反应②的反应类型是________________。 22．在新型锂离子电池中，需要一种有机聚合物作为正、负极之间锂离子迁移的介质，该有机聚合物的单体之一(用G表示)的结构简式为，G的合成方法如图。 请回答下列问题： (1)反应①、⑤的反应类型分别为______、________。 (2)A的结构简式是________。 (3)写出2种含有—OH和—COOH的D的同分异构体的结构简式：___________、___________。 (4)写出B→C反应的化学方程式：___________________________________________ ________________________________________________________________________。 (5)写出E→F反应的化学方程式：___________________________________________ ________________________________________________________________________。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $