Question

8．分子树（Dendrimers）是指分子中有树状结构的高度支化大分子，这类大分子的制备方法之一就是Michael加成反应．反应的一个简单例子如下：
（C₂H₅）₂NH+H₂C=CHCO₂Et$→_{0℃}^{惰性溶剂+醋酸}$（C₂H₅）₂N-CH₂CH₂CO₂Et（注：Et为乙基），一个分子树可通过下列反应得到：
①NH₃用过量的丙烯睛（H₂C=CHCN）处理得到含有3个氰基的产物
②上述所得产物在催化剂作用下用H₂催化还原，得到一种带有三个伯胺（-NH₂）的产物．
③这种初级伯胺产物再用过量的丙烯腈处理．
④步骤③的产物再在催化剂作用下用H₂氢化，得到六胺化合物．这就是一种支化大分子的开始．
（1）（a）步骤①的反应方程式NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃；
（b）步骤②的反应方程式N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃；
（c）步骤④氢化得到的反应产物的结构简式N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃．
用丙烯腈处理的结果和氨基的还原结果可以重复几次，最终形成带有伯胺基团的球形分子（-NH₂已位于表面）．
（2）计算经5次全循环（第一次循环由步骤①+②组成）后，在分子树上有48个末端基．
（3）（a）每摩尔NH₃，进行5次循环时，共需丙烯腈的物质的量为93mol．
（b）分子树每经一次循环分子直径增加约1nm．计算5次循环后分子树的体积6.54×10^-26m³．

Answer 1

分析 （1）（a）步骤①NH₃用过量的丙烯睛（H₂C=CHCN）处理得到含有3个氰基的产物，发生的是加成反应，NH₃中的每一个N-H断开加成H₂C=CHCN中的碳碳双键，H₂C=CHCN的双键断开，方程式为：NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃；
（b）步骤②含有3个氰基的产物在催化剂作用下用H₂催化还原，得到一种带有三个伯胺（-NH₂）的产物，也就是一个N（CH₂CH₂CN）₃中的三个-C≡N键断裂，被氢气氢化，得到三个-NH₂．方程式为：N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃；
（c）N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃ 分子中含6个氢原子，需要和6个丙烯睛（H₂C=CHCN）加成反应得到N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CN）₂]₃，再氢化需要12个氢气加成得到反应产物的结构简式N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃，如此循环往复；
（2）经5次全循环（第一次循环由步骤①+②组成）后，依据结构特征分析计算在分子树上含有的末端基数目；
（3）1个分子的直径近似为10^-10m，分子树每经一次循环分子直径增加约1nm，每摩尔NH₃，进行5次循环时，分子直径为6×10^-10m，最终形成带有伯胺基团的球形分子，分子的体积V=$\frac{4}{3}$πr³计算得到；

解答 解：（1）（a）步骤①NH₃用过量的丙烯睛（H₂C=CHCN）处理得到含有3个氰基的产物，发生的是加成反应，NH₃中的每一个N-H断开加成H₂C=CHCN中的碳碳双键，H₂C=CHCN的双键断开，方程式为：NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃，
故答案为：NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃ ；
（b）步骤②含有3个氰基的产物在催化剂作用下用H₂催化还原，得到一种带有三个伯胺（-NH₂）的产物，也就是一个N（CH₂CH₂CN）₃中的三个-C≡N键断裂，被氢气氢化，得到三个-NH₂．方程式为：N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃，
故答案为：N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃；
（c）步骤③的产物再在催化剂作用下用H₂氢化，得到六胺化合物，N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃ 分子中含6个氢原子，需要和6个丙烯睛（H₂C=CHCN）加成反应得到N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CN）₂]₃，再氢化需要12个氢气加成得到反应产物的结构简式N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃，如此循环往复，
故答案为：N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃；
（2）第一次循环为由步骤①+②组成，反应为NH₃+3H₂C=CHCN→N（CH₂CH₂CN）₃ ，N（CH₂CH₂CN）₃+6H₂→N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃，得到产物中每1mol含氨基为3mol，第二此循环是得到六胺化合物，N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₃ 分子中含6个氢原子，需要和6个丙烯睛（H₂C=CHCN）加成反应得到N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CN）₂]₃，末端基氨基为6mol，第三个循环氢化需要12个氢气加成得到反应产物的结构简式N[CH₂CH₂CH₂N（CH₂CH₂CH₂NH₂）₂]₃，末端基为氨基为12mol，第四次循环则为产物与12mol丙烯睛（H₂C=CHCN）加成反应，得到氨基24mol，第五次循环得到氨基氢48mol，
故答案为：48；
（3）（a）依据（2）分析把过程中需要的丙烯睛相加得到需要的丙烯睛个数=3+6+12+24+48=93，
故答案为：93；
（b）1个分子的直径近似为10^-10m，分子树每经一次循环分子直径增加约1nm，每摩尔NH₃，进行5次循环后，分子直径为5.0×10^-9m，最终形成带有伯胺基团的球形分子，分子的体积V=$\frac{4}{3}$πr³=$\frac{4}{3}$×3.14×（$\frac{5}{2}$）³=6.54×10^-26m³；
故答案为：6.54×10^-26m³；

点评 不本题考查了物质制备的过程分析，有机物结构的变化和反应实质理解应用，规律的归纳整理是解题关键，题目难度较大．