2025年下學(xué)期高二化學(xué)專題突破（生物大分子與合成高分子）一、生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能生物大分子是構(gòu)成生命體系的核心物質(zhì)，主要包括糖類、蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)，其結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性是高二化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。（一）糖類：生命活動(dòng)的主要能源物質(zhì)糖類分子由碳、氫、氧三種元素組成，通式可表示為（CH?O）?。根據(jù)聚合度不同，可分為單糖、二糖和多糖。單糖是不能水解的糖，如葡萄糖（C?H??O?）和果糖，兩者互為同分異構(gòu)體，但構(gòu)型差異導(dǎo)致性質(zhì)不同：葡萄糖是醛糖，具有還原性，能與銀氨溶液發(fā)生銀鏡反應(yīng)；果糖是酮糖，卻因酮基在堿性條件下異構(gòu)化為醛基，同樣具有還原性。二糖由兩分子單糖脫水縮合而成，如蔗糖（葡萄糖+果糖）和麥芽糖（兩分子葡萄糖），其中麥芽糖因含游離醛基而具有還原性，蔗糖則無。多糖是由多個(gè)單糖分子通過糖苷鍵連接形成的高分子化合物，淀粉、纖維素和糖原是典型代表。淀粉作為植物細(xì)胞的儲(chǔ)能物質(zhì)，由直鏈（α-1,4糖苷鍵）和支鏈（α-1,6糖苷鍵）兩部分組成，遇碘變藍(lán)；纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，通過β-1,4糖苷鍵連接，人體無法消化，但可促進(jìn)腸道蠕動(dòng)；糖原則是動(dòng)物細(xì)胞的儲(chǔ)能物質(zhì)，結(jié)構(gòu)與支鏈淀粉相似，但分支更多、更短。（二）蛋白質(zhì)：生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者蛋白質(zhì)由氨基酸通過肽鍵連接而成，其結(jié)構(gòu)層次決定功能多樣性。氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位，通式為H?N-CH(R)-COOH，其中R基的不同導(dǎo)致20種天然氨基酸的差異。氨基酸分子中同時(shí)存在氨基（-NH?）和羧基（-COOH），具有兩性：在酸性條件下氨基質(zhì)子化（-NH??），在堿性條件下羧基去質(zhì)子化（-COO?），等電點(diǎn)時(shí)以兩性離子形式存在，溶解度最小。兩個(gè)氨基酸分子通過脫水縮合形成肽鍵（-CO-NH-），構(gòu)成二肽；多個(gè)氨基酸通過肽鍵連接形成多肽鏈，其兩端分別為氨基端（N端）和羧基端（C端）。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分為四級(jí)：一級(jí)結(jié)構(gòu)是氨基酸的排列順序，由肽鍵維持，其改變可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能喪失，如鐮刀型細(xì)胞貧血癥就是因血紅蛋白β鏈第6位谷氨酸被纈氨酸取代所致；二級(jí)結(jié)構(gòu)是多肽鏈通過氫鍵形成的局部空間結(jié)構(gòu)，主要包括α-螺旋（右手螺旋，每圈含3.6個(gè)氨基酸殘基，氫鍵平行于螺旋軸）和β-折疊（肽鏈伸展成鋸齒狀，通過鏈間氫鍵連接）；三級(jí)結(jié)構(gòu)是在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過側(cè)鏈基團(tuán)間的相互作用（如疏水鍵、鹽鍵、氫鍵、二硫鍵）形成的整體三維結(jié)構(gòu)，決定蛋白質(zhì)的特異性功能；四級(jí)結(jié)構(gòu)則是多個(gè)具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的亞基通過非共價(jià)鍵結(jié)合形成的聚合體，如血紅蛋白由4個(gè)亞基（2個(gè)α亞基和2個(gè)β亞基）組成，每個(gè)亞基結(jié)合一個(gè)血紅素輔基以運(yùn)輸氧氣。蛋白質(zhì)的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)：鹽析（如加入硫酸銨）可使蛋白質(zhì)溶解度降低而析出，加水后可復(fù)原，屬于物理變化；變性（如高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬鹽）會(huì)破壞其空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致生物活性喪失，該過程不可逆。（三）核酸：遺傳信息的攜帶者核酸分為脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），其基本單位是核苷酸，由磷酸、五碳糖和含氮堿基組成。DNA中的五碳糖是脫氧核糖（C?H??O?），堿基為腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）；RNA中的五碳糖是核糖（C?H??O?），堿基為A、G、C和尿嘧啶（U）。核苷酸通過磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，DNA分子由兩條反向平行的鏈通過堿基互補(bǔ)配對(duì)（A-T以兩個(gè)氫鍵連接，G-C以三個(gè)氫鍵連接）形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性由氫鍵和堿基堆積力維持。RNA通常為單鏈，可形成局部雙鏈結(jié)構(gòu)（如tRNA的三葉草結(jié)構(gòu)），根據(jù)功能分為mRNA（傳遞遺傳信息）、tRNA（轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸）和rRNA（構(gòu)成核糖體）。核酸的功能是儲(chǔ)存和傳遞遺傳信息，DNA通過復(fù)制將遺傳信息傳遞給子代，通過轉(zhuǎn)錄生成RNA，再經(jīng)翻譯合成蛋白質(zhì)，即“中心法則”。二、合成高分子：人類改造世界的重要材料合成高分子是通過人工聚合反應(yīng)制備的相對(duì)分子質(zhì)量大于10?的化合物，其結(jié)構(gòu)、合成方法與性能的關(guān)系是高分子化學(xué)的核心內(nèi)容。（一）高分子化合物的基本概念高分子化合物（簡稱高分子）由重復(fù)單元（鏈節(jié)）通過共價(jià)鍵連接而成，其相對(duì)分子質(zhì)量通常為10?~10?，且具有多分散性（即同一種高分子中分子鏈的長度不同）。例如，聚乙烯的鏈節(jié)為-CH?-CH?-，聚合度（n）表示鏈節(jié)的數(shù)目，其相對(duì)分子質(zhì)量=鏈節(jié)式量×n。高分子的結(jié)構(gòu)包括鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：鏈結(jié)構(gòu)分為近程結(jié)構(gòu)（如鏈節(jié)組成、連接方式、構(gòu)型）和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（如分子量、分子量分布、鏈的柔順性）；聚集態(tài)結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)（分子鏈規(guī)則排列，如聚乙烯）、非晶態(tài)（分子鏈無序排列，如聚苯乙烯）和取向態(tài)（分子鏈沿外力方向排列，如纖維拉伸）。（二）合成高分子的聚合反應(yīng)聚合反應(yīng)分為加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)兩大類，其反應(yīng)機(jī)理和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)差異顯著。1.加聚反應(yīng)加聚反應(yīng)是由含不飽和鍵的單體（如烯烴、炔烴）通過加成反應(yīng)生成高分子的過程，產(chǎn)物稱為加聚物，其組成與單體相同，無小分子副產(chǎn)物。根據(jù)反應(yīng)機(jī)理，加聚反應(yīng)可分為自由基聚合、陽離子聚合和陰離子聚合。自由基聚合是最常見的類型，分為鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止三個(gè)階段：鏈引發(fā)需引發(fā)劑（如過氧化物、偶氮化合物）分解產(chǎn)生自由基，與單體加成形成單體自由基；鏈增長是單體自由基不斷與單體加成，使分子鏈增長；鏈終止包括偶合終止（兩個(gè)自由基結(jié)合）和歧化終止（一個(gè)自由基奪取另一個(gè)自由基的氫原子）。例如，氯乙烯在過氧化物引發(fā)下發(fā)生自由基聚合生成聚氯乙烯（PVC）：nCH?=CHCl→[-CH?-CHCl-]?。加聚反應(yīng)還可根據(jù)單體種類分為均聚（單一單體聚合，如聚乙烯）和共聚（多種單體聚合，如苯乙烯與丁二烯共聚生成丁苯橡膠），共聚可改善高分子的性能，如增加彈性或耐熱性。2.縮聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)是由含有兩個(gè)或多個(gè)官能團(tuán)的單體通過分子間縮合反應(yīng)生成高分子，同時(shí)產(chǎn)生小分子副產(chǎn)物（如水、醇、氨等）的過程，產(chǎn)物稱為縮聚物，其組成與單體不同?？s聚反應(yīng)的特點(diǎn)是逐步進(jìn)行，分子量隨反應(yīng)時(shí)間延長而增大，如聚酯、聚酰胺、酚醛樹脂的合成。以對(duì)苯二甲酸與乙二醇合成聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）為例：nHOOC-C?H?-COOH+nHOCH?CH?OH→[-OC-C?H?-COOCH?CH?O-]?+2nH?O。根據(jù)單體官能團(tuán)數(shù)目，縮聚反應(yīng)可分為線形縮聚（生成線形高分子，如PET）和體形縮聚（生成交聯(lián)結(jié)構(gòu)高分子，如酚醛樹脂），后者因分子鏈間形成共價(jià)鍵，具有不溶不熔的特性。（三）重要合成高分子材料及其應(yīng)用合成高分子材料已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，其性能由結(jié)構(gòu)決定：塑料：以合成樹脂為主要成分，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料（如聚乙烯、聚丙烯）具有線形結(jié)構(gòu)，加熱時(shí)可熔融塑形，冷卻后定型，可重復(fù)加工；熱固性塑料（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂）具有體形結(jié)構(gòu)，加熱時(shí)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化成型，再加熱不熔融，不可重復(fù)加工。聚乙烯（PE）根據(jù)密度不同分為低密度聚乙烯（LDPE，支鏈多，密度小，用于薄膜）和高密度聚乙烯（HDPE，線形結(jié)構(gòu)，密度大，用于管材、瓶類）。聚苯乙烯（PS）透明性好，但脆性大，通過與丁二烯共聚可制成高抗沖聚苯乙烯（HIPS）。合成纖維：具有高強(qiáng)度、耐磨、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，常見的有滌綸（PET）、錦綸（聚酰胺）、腈綸（聚丙烯腈）。滌綸是世界產(chǎn)量最大的合成纖維，具有良好的抗皺性和保形性；錦綸（尼龍-66）由己二酸和己二胺縮聚而成，耐磨性極佳，常用于制作襪子、繩索；腈綸（人造羊毛）由丙烯腈聚合而成，保暖性好，手感柔軟。合成橡膠：具有高彈性，分為通用橡膠和特種橡膠。通用橡膠如丁苯橡膠（苯乙烯與丁二烯共聚）、順丁橡膠（丁二烯聚合），廣泛用于輪胎、密封件；特種橡膠如硅橡膠（主鏈含Si-O鍵），耐高溫、耐老化，用于醫(yī)療器械、航空航天；氟橡膠（含氟原子），耐強(qiáng)腐蝕，用于化工設(shè)備密封。三、生物大分子與合成高分子的對(duì)比與聯(lián)系生物大分子與合成高分子雖來源不同，但在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和研究方法上存在諸多共性與差異。（一）結(jié)構(gòu)對(duì)比兩者均由重復(fù)單元通過共價(jià)鍵連接形成長鏈，但生物大分子的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜：生物大分子具有明確的一級(jí)結(jié)構(gòu)（如蛋白質(zhì)的氨基酸序列、DNA的堿基序列），且通過非共價(jià)鍵形成精確的空間結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)特定生物功能；合成高分子的鏈節(jié)排列通常無嚴(yán)格順序（除定向聚合產(chǎn)物外），空間結(jié)構(gòu)主要通過加工過程（如拉伸、注塑）調(diào)控。（二）性能聯(lián)系生物大分子為合成高分子提供了設(shè)計(jì)靈感，如仿生高分子材料：模擬蛋白質(zhì)的酶活性中心設(shè)計(jì)高效催化劑，模擬DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)合成分子器件，模擬細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)制備脂質(zhì)體藥物載體。同時(shí)，合成高分子也可用于修飾生物大分子，如PEG（聚乙二醇）修飾蛋白質(zhì)藥物，可提高其穩(wěn)定性和半衰期。（三）研究方法互通兩者均需借助高分子化學(xué)的研究方法，如凝膠滲透色譜（GPC）測(cè)定分子量及分布，紅外光譜（IR）和核磁共振（NMR）分析結(jié)構(gòu)，X射線衍射（XRD）研究結(jié)晶性。此外，分子