24 第3章 第1节 第2课时 有机合成路线的设计 有机合成的应用(基础课)-【名师导航】2024-2025学年高中化学选择性必修3同步讲义(鲁科版)

第2课时　有机合成路线的设计　有机合成的应用(基础课) 素养 目标 1．通过了解设计合成路线的一般程序，建立有机合成路线的认知模型。 2．通过苯甲酸苯甲酯的合成路线的分析，总结有机合成路线设计的一般程序——逆合成分析法。 3．了解有机合成的意义及应用。 旧知 回顾 已知某合成路线： (1)①是消去反应，②是加成反应。 (2)③的反应条件是NaOH的水溶液、加热。 (3)M物质是乙烯。 一、有机合成路线的设计 正合成分析法 路线 某种原料分子目标化合物分子 过程 首先要比较原料分子和目标化合物分子在结构上的异同，包括官能团和碳骨架两个方面的异同；然后设计由原料分子转化为目标化合物分子的合成路线 逆合成分析法 路线 目标化合物分子原料分子 过程 在逆推过程中，需要逆向寻找能顺利合成目标化合物的中间有机化合物，直至选出合适的起始原料 优选合成路线依据 ①合成路线是否符合化学原理。　 ②合成操作是否安全可靠。 ③绿色合成思想。绿色合成思想的主要出发点是有机合成中的原子经济性；原料的绿色化；试剂与催化剂的无公害性 提醒：原子利用率(%)＝×100%。 　取代反应、加成反应和消去反应三大有机反应类型在有机合成中应用十分广泛，在这几个化学反应中，哪些反应才符合“绿色化学工艺”？ 提示：所有反应物中的原子均转化到产物中，才符合“绿色化学”的原理，只有加成反应符合“绿色化学工艺”，而取代反应和消去反应均有原子进入非目标产物。 二、逆合成分析法设计有机合成路线的一般程序 案例——利用逆合成分析法设计苯甲酸苯甲酯的合成路线 1．观察目标化合物分子的结构 2．逆推出原料分子 3．设计合成路线(设计四种不同的合成路线) 4．评价优选合成路线 路线(1) 由甲苯制取苯甲酸和苯甲醇，较合理 路线(2)(4) 制备苯甲酸步骤多、成本较高，且使用较多的Cl2不利于环境保护 路线(3) 步骤虽然少，但使用了价格昂贵的还原剂LiAlH4，要求无水操作，成本高 　有下述有机反应类型：①消去反应；②水解反应；③加聚反应；④加成反应；⑤还原反应；⑥氧化反应。以丙醛为原料制取1，2-丙二醇，所需进行的反应类型依次是______。 提示：⑤(或④)①④②　用逆合成分析法分析：，然后从原料到产品依次发生还原反应(或加成反应)、消去反应、加成反应、水解反应。 设计有机合成路线 在药物、香料合成中常利用醛和醇反应生成缩醛来保护醛基，此类反应在酸催化下进行。例如： 1．欲使上述反应顺利向右进行，你认为较合适的催化剂是什么？ 提示：要使反应顺利向右进行，可以通过吸收水达到目的，故合适的催化剂为浓硫酸。 2．已知烯烃在一定条件下可以发生氧化反应： 提示：从信息来看，两个羟基的引入是通过碳碳双键的氧化来实现的，但如果将CH2==CH－CHO直接氧化，则醛基也会被氧化，故需先将醛基加以保护，其保护方式可以考虑题目中一开始的信息，将醛基与醇进行反应，然后再通过条件的控制使平衡向左移动恢复醛基即可，故整个过程可以设计如下： 1．有机合成遵循的原则 (1)符合绿色化学思想。 (2)原料廉价，原理正确。 (3)路线简洁，便于操作，条件适宜。 (4)易于分离，产率高。 2．有机合成常见的四条合成路线 (1)一元合成路线： R－CH==CH2→卤代烃→一元醇→一元醛→一元羧酸→酯 1．有机化合物H是一种新型药物的合成中间体。其一种合成路线如图所示： 参照上述合成路线，设计以1，4-丁二醇和苯胺()为原料制备的合成路线(无机试剂任选)____________。 [答案]　 2．某药物中间体H的合成路线如图所示(已知：D遇FeCl3溶液发生显色反应)： 设计以为原料制备的合成路线：_______________________ ____________________________________________________________________ (无机试剂任选)。 [答案]　 3．制药厂合成某抗病毒药物部分路线如图所示。B的核磁共振氢谱有3组峰，C的分子式为C7H8O，D分子中有两个相同且处于相邻位置的含氧官能团，E的相对分子质量比D大34.5。 已知：RCHO＋R1CH2CHORCH==CR1CHO＋H2O。 参照上述流程，以乙醇为原料(其他无机试剂自选)可制取2-丁烯酸(CH3CH==CHCOOH)，写出相应的合成路线：___________。 [答案]　 1．以1-丙醇为原料制备，最简便的流程需要下列哪些反应，其正确的顺序是(　　) ①取代反应　②加成反应　③氧化反应　④还原反应　⑤消去反应 A．⑤②①③　 B．①④②③ C．①⑤②③ D．③①⑤② A　[1-丙醇先在浓硫酸及加热条件下发生消去反应生成CH3－CH==CH2，再与Br2发生加成反应得到CH3－CHBr－CH2Br，再与NaOH的水溶液发生取代反应得到CH3－CHOH－CH2OH，再发生催化氧化反应得到目标产物，流程为⑤②①③。] 2．某同学设计了下列合成路线，你认为不可行的是(　　) B　[A项，乙烯与水发生加成反应生成乙醇，乙醇与氧气发生催化氧化反应生成乙醛，乙醛与氧气发生氧化反应生成乙酸，可实现转化；B项，苯环可与氢气发生加成反应，氯代烃在NaOH的乙醇溶液中可发生消去反应，反应条件不是浓硫酸、加热，不能实现转化；C项，乙烯与氯气发生加成反应生成1，2-二氯乙烷，1，2-二氯乙烷在氢氧化钠的水溶液中水解生成乙二醇，可实现转化；D项，光照下甲基上H被Cl取代，氯代烃在NaOH的水溶液中可发生水解反应生成，可实现转化。] 3．以为原料合成，请用合成反应的流程图表示出最合理的合成方案(注明必要的反应条件)。 提示： [解析]　 [答案]　 4．有机物G是医药染料、农药等工业中的重要中间体，以苯为原料制备其二聚体H的合成路线如下： 参照上述合成路线，以环丙烷和甲醇为原料，补全合成的路线(无机试剂任选)。 _________________________________________________ _____________________________________________________________________ [答案]　 课时分层作业(二十)有机合成路线的设计　有机合成的应用 (选择题只有一个选项符合题目要求) 1．下列选项中由乙炔为原料制取CHClBr－CH2Br的方案中最可行的是(　　) C　[由乙炔为原料制取CHClBr－CH2Br，即在分子中引入一个氯原子和两个溴原子，所以加成时需先与HCl加成引入一个Cl原子，再与Br2加成引入两个溴原子。] 2．以溴乙烷为原料制备乙二醇，下列方案最合理的是(　　) A．CH3CH2BrCH3CH2OHCH2==CH2CH2BrCH2Br乙二醇 B．CH3CH2BrCH2BrCH2Br乙二醇 C．CH3CH2BrCH2==CH2CH3CH2BrCH2BrCH2Br乙二醇 D．CH3CH2BrCH2==CH2CH2BrCH2Br乙二醇 D　[题干中强调的是最合理的方案，A项与D项相比，步骤多一步，且在乙醇发生消去反应时，容易发生分子间脱水、氧化反应等副反应；B项步骤最少，但取代反应不会停留在“CH2BrCH2Br”阶段，副产物多，分离困难，原料浪费；C项比D项多一步取代反应，显然不合理；D项相对步骤少，操作简单，副产物少，较合理。] 3．由2-溴丙烷为原料制取2-羟基丙酸，合适的合成路线经过的反应为(　　) A．取代——水解——氧化——还原 B．消去——加成——取代——氧化——取代 C．消去——加成——取代——氧化——还原 D．水解——消去——加成——取代——氧化——还原 C　[2-羟基丙酸中含有羟基和羧基，羟基和羧基可以由溴原子经过一系列反应得到，但原料2-溴丙烷中只含有1个溴原子，因此应先再引入一个溴原子，即在一定条件下先加NaOH的乙醇溶液消去得到丙烯，再加溴水加成得到1，2-二溴丙烷，加NaOH的水溶液取代得到1，2-丙二醇，通足量氧气在催化剂条件下氧化得到丙酮酸，最后通入氢气在催化剂条件下还原得到目标产物，经过的反应为消去－加成－取代－氧化－还原。] 4．由有机化合物合成的合成路线中，不涉及的反应类型是(　　) A．取代反应　　 B．加成反应 C．消去反应 D．氧化反应 C　[若利用合成，则可将与Cl2发生加成反应生成，将与NaOH的水溶液在加热条件下发生水解反应生，将在Ag或Cu的催化下与O2发生催化氧化反应生成，故在合成过程中发生了ABD的反应，过程中并没有发生消去反应，故答案选C。] 5．以1-丙醇为原料制取，最简便的流程需要下列反应的顺序是(　　) a．氧化　b．还原　c．取代　d．加成　e．消去　f．中和　g．加聚　h．酯化 A．b、d、f、g、h B．e、d、c、a、h C．a、e、d、c、h D．b、a、e、c、f B　[1-丙醇发生消去反应产生丙烯(CH2==CH－CH3)，丙烯与溴水发生加成反应生成1，2-二溴丙烷，1，2-二溴丙烷在氢氧化钠的水溶液、加热条件下发生水解反应生成1，2-丙二醇，1，2-丙二醇发生催化氧化反应生成，最后与1-丙醇发生酯化反应生成，则发生反应先后顺序依次为消去反应、加成反应、取代反应、氧化反应、酯化反应，即为e、d、c、a、h。] 6．在有机合成中，常会将官能团消除或增加，下列相关过程中反应类型及相关产物不合理的是(　　) B　[乙烯与Br2发生加成反应产生1，2-二溴乙烷，然后与NaOH水溶液共热，发生取代反应生成乙二醇，两步实现物质转化，合成路线简洁，A不符合题意；溴乙烷是卤代烃，可以与NaOH水溶液共热，发生取代反应生成乙醇，一步就可以实现物质的转化，因此题干的转化步骤不简洁，B符合题意；1-溴丁烷与NaOH的乙醇溶液共热发生消去反应生成1-丁烯(CH3CH2CH==CH2)，CH3CH2CH==CH2与Br2发生加成反应生成1，2-二溴丁烷()，再与NaOH的乙醇溶液共热发生消去反应生成1-丁炔，反应步骤简洁，C不符合题意；乙烯与Br2发生加成反应生成1，2-二溴乙烷，1，2-二溴乙烷再与NaOH的乙醇溶液共热发生消去反应生成乙炔，反应步骤简洁，D不符合题意。] 7．下图中a、b、c、d、e、f是6种有机化合物，其中a是烃类，其余是烃的衍生物，下列有关说法正确的是(　　) A．若a的相对分子质量是42，则d是乙醛 B．若d的相对分子质量是44，则a是乙炔 C．若a为苯乙烯()，则f的分子式是C16H32O2 D．若a为单烯烃，则d与f的实验式一定相同 D　[a为烃，能与HBr在一定条件下发生加成反应，则b为溴代烃，溴代烃在NaOH的水溶液中水解，可得醇，醇经催化氧化得醛或者酮，即d为醛或者酮，又由d能发生银镜反应，故d为醛，e为羧酸，f为酯。设a的分子式为CnHm，若a的相对分子质量是42，则a为丙烯，d为丙醛；若d的相对分子质量是44，则d应为乙醛(C2H4O)，a为乙烯；若a为苯乙烯()，此时b只能为(因为b水解后可氧化为醛)，故f为苯乙酸与苯乙醇形成的酯，其分子式应为C16H16O2；a为单烯烃，d为同碳原子数的醛，f是e与c形成的酯，且c、d、e含有相同的碳原子数，故d、f二者实验式均为CnH2nO。] 8．PTT是一种高分子材料，具有优异的性能，因其能作为制作工程塑料、纺织纤维和地毯等的原材料而得到广泛应用。其合成路线可设计为 (1)B中所含官能团的名称为_________，反应②的反应类型为___________。 (2)反应③的化学方程式为___________________________________________ _________________________________________________________________。 (3)某有机化合物X的分子式为C4H6O，X与B互为同系物，写出X可能的结构简式：___________________________________________________________ _________________________________________________________________。 (4)请写出以CH2==CH2为主要有机原料(无机试剂任用)制备乙酸乙酯的合成路线流程图(须注明反应条件)。合成路线流程图常用的表示方式：AB……目标产物。 [解析]　根据B、D的结构简式可推出C的结构简式为HOCH2CH2CHO；结合已知信息及E的结构简式，可知F是，与发生缩聚反应生成PTT，PTT结构为。 (1)B的结构简式为CH2==CH－CHO，所含官能团的名称为碳碳双键、醛基；反应②是CH2==CH－CHO与H2O发生加成反应生成HO－CH2－CH2－CHO。 (2)反应③是与H2发生加成反应生成。 (3)X的分子式为C4H6O，X与B(CH2==CH－CHO)互为同系物，则X含有碳碳双键、醛基，X可能的结构简式为CH3－CH==CH－CHO、CH2==CH－CH2－CHO、。 (4)以CH2==CH2为主要有机原料制备乙酸乙酯，先是乙烯与水发生加成反应生成乙醇，接着乙醇发生催化氧化反应生成乙醛，乙醛被氧化生成乙酸，最后乙醇与乙酸发生酯化反应生成乙酸乙酯。 [答案]　(1)碳碳双键、醛基　加成反应 (2) (3)CH3－CH==CH－CHO、CH2==CH－CH2－CHO、 (4) 9．一种合成药物中间体G的路线如下： 回答下列问题： (1)A具有芳香性，其化学名称为__________；设计由A转化为B的目的为__________________________________________________。 (2)试剂X的结构简式为_________；B中官能团的名称为_________；D→E的反应类型为________________________________________。 (3)由E生成F的第①步反应的化学方程式为_____________________________ ____________________________________________________________________。 (4)G的同分异构体中，同时满足下列条件的结构有________种(不考虑立体异构)。 ①只含两种官能团，能与FeCl3溶液发生显色反应，且苯环上连有两个取代基 ②1 mol该有机化合物最多能与2 mol NaHCO3反应 ③核磁共振氢谱有6组吸收峰 (5)已知醛基能与格氏试剂发生反应，羟基能与CrO3发生反应。利用题述路线条件及信息，写出以和BrMg(CH2)3MgBr为原料制备的合成路线。 [解析]　由流程可知，C被氧化为D，结合C的分子式、D的结构简式可知，C为；B发生已知Ⅱ中的反应得到C，则B为；A具有芳香性，则为芳香族化合物，A和试剂X在对甲基苯磺酸的作用下发生已知Ⅰ中的反应生成B，则A为、X为；D和BrCH2COOC2H5反应生成E，E在碱性溶液中发生水解反应后酸化生成F，F发生已知Ⅰ中的反应转化为G，结合G与D的结构简式可知，D与BrCH2COOC2H5发生取代反应生成的E为，E水解后酸化生成的F为。 (4)G的同分异构体中，同时满足下列条件： ①只含两种官能团，能与FeCl3溶液发生显色反应，且苯环上连有两个取代基，则含有酚羟基；②1 mol该有机化合物最多能与2 mol NaHCO3反应，则含有2个羧基且在同一条支链上；③核磁共振氢谱有6组吸收峰，说明含有6种不同化学环境的氢原子；故结构简式为，共有3种。 (5)首先将中羟基氧化为酮羰基得到，再发生已知Ⅱ中的反应得到产物，故流程为。 [答案]　(1)2，3-二羟基苯甲醛　保护酚羟基 (2)　醚键、醛基　取代反应 (3) (4)3 (5) (选择题有一个或两个选项符合题目要求) 10．某药物中间体合成路线如图(部分产物已略去)。下列说法错误的是(　　) A．反应①的目的是保护羟基 B．B中不含醛基 C．步骤③中有取代反应发生 D．E的消去产物有立体异构体 BD　[结合结构简式可知，E应为，D为，C为，B为，A为。反应①将羟基转化为酯基，以防止羟基被氧化，A正确；由以上分析可知，B中含酯基和醛基，B错误；反应③中包含羧基与NaOH的中和反应，以及酯基的水解(取代)反应，C正确；E为，发生消去反应生成，不存在立体异构，D错误。] 11．由溴乙烷制，下列流程途径合理的是(　　) ①加成反应　②取代反应　③消去反应　④氧化反应　⑤还原反应 A．②③①④② B．③①②④② C．③①②④⑤ D．②④⑤②② B　[要制取乙二酸乙二酯()，须先制备乙二酸和乙二醇，乙二酸可由乙二醇氧化而成；乙二醇可由乙烯与卤素单质(X2)加成后再水解而得，乙烯可以由溴乙烷发生消去反应得到，因此发生的反应流程为，发生的反应依次为消去、加成、取代、氧化和酯化(取代)反应。] 12．一种利胆药物F的合成路线如图： 已知： Ⅰ． 回答下列问题： (1)A的结构简式为____________；符合下列条件的A的同分异构体有_________种。 ①含有酚羟基　②不能发生银镜反应　③含有四种化学环境的氢 (2)检验B中是否含有A的试剂为___________；B→C的反应类型为___________。 (3)C→D的化学方程式为___________________________________； E中含氧官能团共____________种。 (4)已知：，综合上述信息，写出由制备的合成路线。 [解析]　由已知信息Ⅱ反应以及F的结构简式和E的分子式可知E的结构简式为，D发生信息Ⅰ反应得到E，则D的结构简式为，C与CH3OH发生反应生成D，C相较于D少1个碳原子，说明C→D是酯化反应，因此C的结构简式为，B→C碳链不变，而A→B碳链增长，且增长的碳原子数等于中碳原子数，同时B→C的反应条件为NaClO2、H＋，NaClO2具有氧化性，因此B→C为氧化反应，A→B为取代反应，C8H8O3的不饱和度为5，说明苯环上的取代基中含有不饱和键，因此A的结构简式为，B的结构简式为。 (1)由上述分析可知，A的结构简式为；A的同分异构体满足：①含有酚羟基；②不能发生银镜反应，说明结构中不含醛基；③含有四种化学环境的氢原子，说明具有对称结构，则满足条件的结构有、、、，共4种。 (2)A中含有酚羟基，B中不含酚羟基，可利用FeCl3溶液检验B中是否含有A；B→C的反应类型为氧化反应。 (3)C→D为与CH3OH在浓硫酸作催化剂并加热条件下发生酯化反应生成，反应的化学方程式为＋CH3OH＋H2O；E的结构简式为，其中的含氧官能团为醚键、(酚)羟基、酯基，共3种。 (4)由和制备过程需要增长碳链，可利用题干中A→B的反应实现，然后利用已知信息Ⅰ反应得到目标产物。 [答案]　(1)　4　 (2)FeCl3溶液　氧化反应 (3)＋CH3OH＋H2O　3 (4) 1/1 学科网（北京）股份有限公司 $$