01 “比葫芦画飘”破解有机合成路线设计-《中学生数理化》高考理化2024年12月刊

■河南省汝阳县第一高级中学 侯晨鹞 在有机化学的世界里,合成反应犹如一 场精心编排的集体舞,每一个人、每一个步骤 都必须精准无误,才能展现出最完美的效果。 科学家们常常通过仔细研究前人的科研成 果,了解特定反应的条件、试剂和机理,然后 设计目标产物的合成路线。而“比葫芦画瓢” 正是他们破解复杂有机合成难题的法宝之一。 当然,仅仅依靠模仿是不够的。科学家们还需 要具备敏锐的洞察力和创新能力,才能在有机 合成领域取得突破。通过不断学习和实践,他 们能够在前人的基础上进行改进,创造出全新 的反应和化合物。高考有机综合大题,也经常 将有机合成作为最后一问,来考查考生的信息 提取能力(寻找葫芦)→信息分析、推理及加工 能力(观察研究葫芦)→信息迁移能力(模仿画 瓢)→综合分析和创新能力(锦上添花)。 【感悟真题】 例 1 某研究小组按下列路线合成抗 炎镇痛药“消炎痛”(部分反应条件已简化)。 已知: 吗吲哚-2-甲酸( )是一种医 药 中 间 体,设 计 以 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜍􀜍 NH NH2 和 CH3CHO为原料合成吲哚-2-甲酸的路线(用 流程图表示,无机试剂任选): 。 解析:第一步,找“葫芦”,即找与目标物 结构最相似的物质。观察发现目标物“瓢” 和 题 干 已 知 中 的 “葫 芦” 非常相似。 第二步,观察研究“葫芦”是怎么“生长”出来 的,即:看 碳链变化 官能团变化 推→断键、成键机理。由已 知条件可知“葫芦”是通过下面的步骤生成的: 第三步,比“葫芦”画“瓢”。一般采用逆 合成法,由“瓢”倒推原料: → 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜏􀜏 N H N C􀪅 CH3 COOH → 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜏􀜏 N H NH2 + O C􀪅 CH3 COOH → O C􀪅 CH3 CN → HO CH CH3 CN → HO CH CH3 CN →CH3CHO +HCN(原料)。 第四步,“锦上添花”,瞻前顾后,糅合已 有知识与题干信息进行创新。补全反应条 件,统一格式为“ 试剂 反应条件 →”,从而得到具体合 成路线。 答案: 3 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2024年12月 例 2 F是合成含松柏基化合物的中间 体,其合成路线如下。 已知:HSCH2CH2SH与 HOCH2CH2OH 性 质相似。 写 出 以 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜍􀜍 CHCH3 Br 、 NH O􀪅 、 HSCH2CH2SH 和 HCHO 为 原 料 制 备 的合成路线: (无机试剂和有机溶剂任用,合成路线示例见 本题题干)。 解析:第一步,找“葫芦”B( O 􀪅 N(CH3)2 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜏􀜏 OCH3 ) 和 F ( O 􀪅 O O 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜏􀜏 OCH3 ), 并 和 “瓢 ” 的关键部位进行 对比。 第二步,观察研究“葫芦”是怎么“生长” 出来的,即:看 碳键变化 官能团变化 推→断键、成键机 理。先看“葫芦”B( O 􀪅 N(CH3)2 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜏􀜏 OCH3 ),它是 由 A ( 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜏􀜏 O 􀪅 OCH3 )、HCHO 及 (CH3)2NH 反 应 得 到 的。再 看 “葫 芦”F ( O 􀪅 O O 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜏􀜏 OCH3 ),结合物质E转变成“葫 芦”F,是 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜏􀜏 O 􀪅 OH OH OCH3 和 C H3C O 􀪅􀪅 CH3 通过取代反应得到的。 第三步,比“葫芦”画“瓢”。一般采用逆 合成法:由“瓢”倒推原料。 对比“葫芦”B,目标产物“瓢”的这一关键 部 位 ( C O 􀪅􀪅 CH2CH2 N ),应 该 由 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜍􀜍 C O 􀪅􀪅 CH3 和 原 料 NH O􀪅 及 HCHO反应得到,而 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜍􀜍 C O 􀪅􀪅 CH3 是 由 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜍􀜍 OH 催化氧化生成, 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜍􀜍 OH 可由原料 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜍􀜍 Br 水解得到。 对 比 “葫 芦 ”F,由 已 知 条 件: HSCH2CH2SH 与 HOCH2CH2OH 性 质 相 似,从而推断 O􀪅 与 HSCH2CH2SH 反 应可生成目标产 物“瓢”的 另 一 关 键 部 位 ( S S )。 第四步,“锦上添花”,“瞻前顾后”,糅合 已有知识与题干信息进行创新。补全反应条 件,统一格式为“ 试剂 反应条件 →”,从而得到具体合 4 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2024年12月 成路线。 答案: 【沙场练兵】 1.化合物 H 是一种具有生物活性的苯 并呋喃衍生物,合成路线如下(部分条件忽 略,溶剂未写出)。 依据以上流程信息,结合所学知识,设计 以 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏 和 Cl2CHOCH3 为 原 料 合 成 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏 CHCHO􀰷 O 􀪅􀪅 O􀰻H 的 路 线: (HCN 等无机试剂任选)。 2.化合物1是一种药物中间体,可由下 列路线合成(Ph代表苯基,部分反应条件略 去)。 已知: ⅰ.RX Mg 无水醚 →RMgX 1) CR1 R2 O 􀪅􀪅 ,无水醚 2)H3O + → CR R1 OH R2 ⅱ.RMgX易与含活泼氢化合物(HY) 反应:RMgX+HY →RH+ Mg Y X ,HY 代表 H2O、ROH、RNH2、RC CH􀜁 等。 参 照 上 述 合 成 路 线, 设 计 以 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏C O 􀪅􀪅 CH3 Br和不超过3个碳的有机物 为 原 料, 制 备 一 种 光 刻 胶 单 体 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CHCH2 􀪅 C CF3 CF3 OH 的合成路线: (其他试剂任选)。 参考答案: 1. 提示: 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏和Cl2CHOCH3 在TiCl4 作 用下发生类似反应⑥的反应得到 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏 CHO , 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏 CHO 与 HCN 加 成 得 到 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏 CHOHNC , 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏 CHOHNC 酸性水解得到 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏 CC O 􀪅􀪅 HO HOH , 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏 CC O 􀪅􀪅 HO HOH 发 生 缩 聚 反 应 得 到 􀜍􀜍 􀜏􀜏􀜏􀜏 CHCHO􀰷 O 􀪅􀪅 O􀰻H 。 2. 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏C O 􀪅􀪅 CH3 Br NaBH4 → 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CH OH CH3 Br 5 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2024年12月 􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑􀥑 浓硫酸 170℃ → 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CHCH2 􀪅 Br Mg 无水醚 → 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CHCH2 􀪅 MgBr 1)CF3COCF3,无水醚 2)H3O + → 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CHCH2 􀪅 C CF3 CF3 OH 提示:根据题目给出的流程,先将原料 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏C O 􀪅􀪅 CH3 Br 中 的 羰 基 还 原 为 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CH OH CH3 Br中的羟基,后在浓硫酸作 用下脱水生成 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CHCH2 􀪅 Br,随后结 合流程中 E→F,将 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CHCH2 􀪅 Br 与 Mg 在 无 水 醚 中 反 应 生 成 中 间 产 物 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CHCH2 􀪅 MgBr,再结合流程中C+F →G,让 􀜏􀜏􀜏􀜏 􀜏􀜏CHCH2 􀪅 MgBr与CF3COCF3 在无水醚中反应再水解得到目标化合物。 “比葫芦画瓢”在有机合成中扮演着至关 重要的角色,在帮助考生破解有机合成与推 断难题方面,这一策略显得尤为有效。通过 分析已知的合成路径,考生可以学会如何将 复杂的有机反应分解成一系列简单、可操作 的步骤。这种方法不仅有助于理解反应机 理,还能培养逻辑思维和问题解决能力。 利用“比葫芦画瓢”的方法,从已知的合 成案例入手,逐步分析反应条件、试剂选择以 及反应路径。通过这种方式,可以根据目标 分子的结构特点,设计出合理的合成路线。 总之,“比葫芦画瓢”这一古老的智慧在 现代化学研究中焕发出了新的生机,也为我 们提供了创新的灵感和方向。而 AI技术的 加入更是为其插上了翅膀,让科学家们能够 以前所未有的速度和精度破解有机合成的奥 秘。在未来的日子里,我们有理由相信有机 合成将会取得更加辉煌的成就。 (责任编辑 谢启刚) 有机物的常考点逐项突破 ■广西柳州市第二中学 黄 颖(正高级教师) 蒋恩晶 李 聪 有机化学选择题主要考查有机物的结构 与性质、反应类型的判断、同分异构体数目的 判断、有机物结构的表示方法、有机物的命 名、根据有机物的结构判断有机物的分子式。 现对有机物的常考点进行逐项突破。 1.共面、共线的问题解析。 要判断有机分子的空间结构,首先应该 掌握以下几种基本有机物的空间构型: ①乙烯分子是平面结构,2个碳原子和4 个氢原子共面。 ②乙炔分子是直线形结构,4个原子在 同一直线上。 ③苯分子是平面正六边形结构,6个碳 原子和6个氢原子共面。 ④甲醛分子是平面结构,4个原子共面。 ⑤甲烷是正四面体结构,甲基上3个 H, C只能携带1个 H共面。 C H H C􀪅 H H H—C≡C—H 乙烯平面 乙炔直线 􀜏􀜏 􀜏􀜏 􀜏􀜏 H H H H H H CH O 􀪅􀪅 H 苯平面 甲醛平面 甲烷正四面体 为了 正 确 表 示 甲 烷 分 子 的 立 体 结 构 ( ),化学家在平面上加入三维坐标, 以“—”表示在纸平面上的化学键;“ ”表示 位于纸 平 面 前 方、指 向 观 察 者 的 化 学 键; “ ”表示位于纸平面后方、远离观察者的化 学键,这种表示方法叫“楔形式”。 6 知识篇 知识结构与拓展 高考理化 2024年12月