Question

8．分子樹（Dendrimers）是指分子中有樹狀結(jié)構(gòu)的高度支化大分子，這類大分子的制備方法之一就是Michael加成反應(yīng)．反應(yīng)的一個(gè)簡(jiǎn)單例子如下：
（C₂H₅）₂NH+H₂C=CHCO₂Et$→_{0℃}^{惰性溶劑+醋酸}$（C₂H₅）₂N-CH₂CH₂CO₂Et（注：Et為乙基），一個(gè)分子樹可通過下列反應(yīng)得到：
①NH₃用過量的丙烯睛（H₂C=CHCN）處理得到含有3個(gè)氰基的產(chǎn)物
②上述所得產(chǎn)物在催化劑作用下用H₂催化還原，得到一種帶有三個(gè)伯胺（-NH₂）的產(chǎn)物．
③這種初級(jí)伯胺產(chǎn)物再用過量的丙烯腈處理．
④步驟③的產(chǎn)物再在催化劑作用下用H₂氫化，得到六胺化合物．這就是一種支化大分子的開始．
（1）（a）步驟①的反應(yīng)方程式NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃；
（b）步驟②的反應(yīng)方程式N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃；
（c）步驟④氫化得到的反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃．
用丙烯腈處理的結(jié)果和氨基的還原結(jié)果可以重復(fù)幾次，最終形成帶有伯胺基團(tuán)的球形分子（-NH₂已位于表面）．
（2）計(jì)算經(jīng)5次全循環(huán)（第一次循環(huán)由步驟①+②組成）后，在分子樹上有48個(gè)末端基．
（3）（a）每摩爾NH₃，進(jìn)行5次循環(huán)時(shí)，共需丙烯腈的物質(zhì)的量為93mol．
（b）分子樹每經(jīng)一次循環(huán)分子直徑增加約1nm．計(jì)算5次循環(huán)后分子樹的體積6.54×10^-26m³．

Answer 1

分析 （1）（a）步驟①NH₃用過量的丙烯睛（H₂C=CHCN）處理得到含有3個(gè)氰基的產(chǎn)物，發(fā)生的是加成反應(yīng)，NH₃中的每一個(gè)N-H斷開加成H₂C=CHCN中的碳碳雙鍵，H₂C=CHCN的雙鍵斷開，方程式為：NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃；
（b）步驟②含有3個(gè)氰基的產(chǎn)物在催化劑作用下用H₂催化還原，得到一種帶有三個(gè)伯胺（-NH₂）的產(chǎn)物，也就是一個(gè)N（CH₂CH₂CN）₃中的三個(gè)-C≡N鍵斷裂，被氫氣氫化，得到三個(gè)-NH₂．方程式為：N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃；
（c）N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃ 分子中含6個(gè)氫原子，需要和6個(gè)丙烯睛（H₂C=CHCN）加成反應(yīng)得到N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CN）₂]₃，再氫化需要12個(gè)氫氣加成得到反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃，如此循環(huán)往復(fù)；
（2）經(jīng)5次全循環(huán)（第一次循環(huán)由步驟①+②組成）后，依據(jù)結(jié)構(gòu)特征分析計(jì)算在分子樹上含有的末端基數(shù)目；
（3）1個(gè)分子的直徑近似為10^-10m，分子樹每經(jīng)一次循環(huán)分子直徑增加約1nm，每摩爾NH₃，進(jìn)行5次循環(huán)時(shí)，分子直徑為6×10^-10m，最終形成帶有伯胺基團(tuán)的球形分子，分子的體積V=$\frac{4}{3}$πr³計(jì)算得到；

解答 解：（1）（a）步驟①NH₃用過量的丙烯睛（H₂C=CHCN）處理得到含有3個(gè)氰基的產(chǎn)物，發(fā)生的是加成反應(yīng)，NH₃中的每一個(gè)N-H斷開加成H₂C=CHCN中的碳碳雙鍵，H₂C=CHCN的雙鍵斷開，方程式為：NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃，
故答案為：NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃ ；
（b）步驟②含有3個(gè)氰基的產(chǎn)物在催化劑作用下用H₂催化還原，得到一種帶有三個(gè)伯胺（-NH₂）的產(chǎn)物，也就是一個(gè)N（CH₂CH₂CN）₃中的三個(gè)-C≡N鍵斷裂，被氫氣氫化，得到三個(gè)-NH₂．方程式為：N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃，
故答案為：N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃；
（c）步驟③的產(chǎn)物再在催化劑作用下用H₂氫化，得到六胺化合物，N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃ 分子中含6個(gè)氫原子，需要和6個(gè)丙烯睛（H₂C=CHCN）加成反應(yīng)得到N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CN）₂]₃，再氫化需要12個(gè)氫氣加成得到反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃，如此循環(huán)往復(fù)，
故答案為：N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃；
（2）第一次循環(huán)為由步驟①+②組成，反應(yīng)為NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃ ，N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃，得到產(chǎn)物中每1mol含氨基為3mol，第二此循環(huán)是得到六胺化合物，N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃ 分子中含6個(gè)氫原子，需要和6個(gè)丙烯睛（H₂C=CHCN）加成反應(yīng)得到N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CN）₂]₃，末端基氨基為6mol，第三個(gè)循環(huán)氫化需要12個(gè)氫氣加成得到反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃，末端基為氨基為12mol，第四次循環(huán)則為產(chǎn)物與12mol丙烯睛（H₂C=CHCN）加成反應(yīng)，得到氨基24mol，第五次循環(huán)得到氨基氫48mol，
故答案為：48；
（3）（a）依據(jù)（2）分析把過程中需要的丙烯睛相加得到需要的丙烯睛個(gè)數(shù)=3+6+12+24+48=93，
故答案為：93；
（b）1個(gè)分子的直徑近似為10^-10m，分子樹每經(jīng)一次循環(huán)分子直徑增加約1nm，每摩爾NH₃，進(jìn)行5次循環(huán)后，分子直徑為5.0×10^-9m，最終形成帶有伯胺基團(tuán)的球形分子，分子的體積V=$\frac{4}{3}$πr³=$\frac{4}{3}$×3.14×（$\frac{5}{2}$）³=6.54×10^-26m³；
故答案為：6.54×10^-26m³；

點(diǎn)評(píng) 不本題考查了物質(zhì)制備的過程分析，有機(jī)物結(jié)構(gòu)的變化和反應(yīng)實(shí)質(zhì)理解應(yīng)用，規(guī)律的歸納整理是解題關(guān)鍵，題目難度較大．