内容正文:
第三章 烃的衍生物
第五节 有机合成
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[学习目标]
1.从不同角度对有机化合物的转化关系进行分析和推断;能根据有机化合物的官能团的转化等分析有机物合成的合理性。(宏观辨识与微观探析)
2.通过有机合成原料的选择,知道“绿色合成”思想是优选合成路线的重要原则。(科学态度与社会责任)
3.能综合应用有关知识完成推断有机化合物、检验官能团、设计有机合成路线等任务。(科学探究与创新意识)
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化学 选择性必修3
课前 教材预案
课堂 深度拓展
课末 随堂演练
课时作业(十五)
课前 教材预案
知识点1 有机合成的主要任务
1.有机合成:使用相对简单易得的原料,通过有机化学反应来① ①构建碳骨架 和② ②引入官能团 ,合成具有特定结构和性质的目标分子。
构建碳骨架
引入官能团
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2.构建碳骨架
(1)碳链的增长
通过引入含碳原子的官能团等方式使碳链增长,例如,炔烃和醛中的不饱和键与HCN发生加成反应生成含氰基的物质,再经水解生成羧酸,或经催化加氢还原生成胺。
①写出乙炔与HCN加成,再水解的转化流程:
③ CH≡CHCH2CHCN
CH2CHCOOH 。
CH≡CHCH2CHCN
CH2CHCOOH
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②写出丙酮与HCN的反应,再被H2还原的化学方程式:
④ +HCN(CH3)2C(OH)CN 、
⑤ (CH3)2C(OH)CN+2H2
(CH3)2C(OH)CH2NH2 。
+HCN
(CH3)2C(OH)CN
(CH3)2C(OH)CN+2H2
(CH3)2C(OH)CH2NH2
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(2)碳链的缩短
氧化反应等可以使烃分子链缩短。如烯烃、炔烃及芳香烃的侧链被酸性高锰酸钾溶液氧化,生成碳链缩短的羧酸或酮。写出CH3CHC(CH3)2、乙苯与酸性高锰酸钾溶液反应的转化流程:
⑥ CH3CHC(CH3)2CH3COOH+
、
CH3CHC(CH3)2CH3COOH
+
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⑦ 。
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(3)碳链的开环
环烯烃被酸性高锰酸钾溶液氧化,断开碳环,生成羧酸或酮。写出环己烯与酸性高锰酸钾溶液反应的转化流程:
⑧ 。
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(4)碳链的成环
共轭二烯烃与含有碳碳双键的化合物发生加成反应,得到环加成产物。写出1,3-丁二烯与丙烯酸反应的化学方程式:
⑨ 。
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3.引入官能团
(1)常见官能团的引入
官能团 常见引入方法
碳碳双键 ⑩ 卤代烃、醇 的消去或⑪ 炔烃 的不完全加成
碳卤键 ⑫ 烷烃、苯及苯的同系物、醇(酚) 的取代或⑬ 烯烃(炔烃) 的加成
羟基 ⑭ 烯烃、炔烃 与水的加成或⑮ 卤代烃、酯 的水解或⑯ 醛 的还原
卤代烃、醇
炔烃
烷烃、苯及苯的同系物、醇(酚)
烯烃(炔烃)
烯烃、炔烃
卤代烃、酯
醛
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醛基 ⑰ 炔烃 的水化或⑱ 烯烃 的氧化或⑲ 醇 的催化氧化
羧基 烯烃、炔烃及芳香烃的侧链被⑳ 酸性高锰酸钾溶液 氧化或㉑ 酯、含—CN化合物 的水解
炔烃
烯烃
醇
酸性高锰酸钾溶
液
酯、含—CN化合物
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(2)官能团的保护
含有多个官能团的有机化合物在进行反应时,非目标官能团也可能受到影响。此时需要将该官能团保护起来,先将其转化为不受该反应影响的其他官能团,反应后再转化复原。例如,羟基的保护方法:
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知识点2 有机合成路线的设计与实施
1.有机合成路线确定的要素
(1)基础:掌握碳骨架构建和官能团转化的基本方法。
(2)设计与操作:进行合理的设计与选择,以较低的成本和较高的产率,通过简便而对环境友好的操作得到目标产物。
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2.有机合成的过程
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3.逆合成分析法
(1)基本思路:
(2)应用实例——乙烯合成草酸二乙酯
根据以上分析,可确定合成草酸二乙酯的基础原料为乙烯(CH2CH2),通过五步反应进行合成,写出反应的化学方程式。
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①㉒ ,
②㉓ +2NaOH ,
+2NaOH +
2NaCl
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③㉔ +2O2 ,
④㉕ ㉕ CH3CH2OH ,
+
2O2
CH3CH2OH
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⑤㉖ +2CH3CH2OH
。
+
2CH3CH2OH
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4.有机合成路线的设计与选择
(1)合成步骤较少,副反应少,反应产率高。
(2)原料、溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒,污染排放少。
(3)反应条件温和,操作简便,产物易于分离提纯。
(4)贯彻“绿色化学”理念,选择最佳合成路线,以较低的经济成本和环境代价得到目标产物。
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5.有机合成的发展
(1)20世纪初,维尔施泰特通过十余步反应合成颠茄酮,总产率仅有0.75%。
(2)十几年后,罗宾逊改进了合成思路,仅用3步反应便完成合成,总产率达90%。
(3)20世纪中后期,伍德沃德与多位化学家合作,成功合成了一系列结构复杂的天然产物,促进了有机合成技术和有机反应理论的发展。
(4)科里提出了系统化的㉗ 逆合成 概念,开始利用㉘ 计算机 来辅助设计合成路线,让合成路线的设计逐步成为有严密思维逻辑的科学过程,使有机合成进入了新的发展阶段。
逆合成
计
算机
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判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)消去反应可以引入双键,加成反应也可以引入双键。 ( √ )
(2)一定条件下,可以通过取代反应由溴乙烷制备乙醇。 ( √ )
(3)丙烯中既可以引入碳卤键也可以引入羟基。 ( √ )
(4)加聚反应可以使有机物碳链增长,取代反应不能。 ( × )
√
√
√
×
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(5)制取氯乙烷时,可以用乙烷和氯气在光照时反应,也可以利用乙烯和氯化氢发生加成反应。 ( × )
×
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有机合成推断要注意突破口的寻找、关键信息的提取。
1.突破口的寻找
(1)特征反应类型;(2)特征条件;(3)特征现象;(4)特征转化规律。
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2.关键信息的提取
(1)结构信息(碳骨架、官能团等);
(2)组成信息(相对分子质量、组成基团、组成元素的质量分数等);
(3)反应信息(燃烧、官能团转换、结构转变等)。
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课堂 深度拓展
探究点1 有机合成中官能团的引入、转化、消除和保护
1.官能团的引入和转化
取代
反应 烷烃的
取代 如CH4+Cl2CH3Cl+HCl
芳香烃
的取代 如 +Br2 +HBr
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取代
反应 卤代烃
的水解 如CH3CH2X+NaOHCH3CH2OH+NaX
酯的
水解 如CH3COOC2H5+H2OCH3COOH+C2H5OH
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加成
反应 烯烃与HX、H2O、X2等加成 如CH2CH2+HXCH3CH2X
炔烃与X2、HX、H2O等加成 如 H2CCHCl
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加成
反应 醛、酮的加成 如CH3CHO+H2CH3CH2OH
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氧化
反应 烯烃的氧化 如2CH2CH2+O22CH3CHO
含侧链的芳香烃被强氧化剂氧化 如 被酸性KMnO4溶液氧化为
醇的氧化 如2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O
醛的氧化 如CH3CHO+2Cu(OH)2+NaOHCH3COONa+Cu2O↓+3H2O
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消去
反应 卤代烃消去 +NaOHCH2CH—CH3↑+NaCl+H2O
醇消去 如CH3CH2OHCH2CH2↑+H2O
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2.官能团的消除
(1)经加成反应消除不饱和键。
(2)经取代、消去、酯化、氧化等反应消除-OH。
(3)经加成或氧化反应消除-CHO。
(4)经水解反应消除酯基。
(5)通过消去或水解反应可消除卤素原子。
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3.官能团的保护
(1)醇羟基的保护
(2)酚羟基的保护
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(3)碳碳双键的保护
CH2CHRCH2Cl—CH2RCH2Cl—CH2R'CH2CHR'
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(4)醛基的保护
先让醛与醇反应生成缩醛:R—CHO+2R'OH +H2O;生成的缩醛比较稳定,与稀碱和氧化剂均难反应,但在稀酸中微热会水解为原来的醛。
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(5)氨基的保护
如在对硝基甲苯对氨基苯甲酸的过程中应先把—CH3氧化成—COOH之后,再把—NO2还原为—NH2。防止当KMnO4氧化—CH3时,NH2(具有还原性)也被氧化。
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④还原反应 ⑤消去反应 ⑥酯化反应
⑦中和反应
A.③②⑤⑥ B.⑤③④⑥
C.⑤②③⑥ D.⑤①④⑦
【例题1】由环己醇制取己二酸己二酯,最简单的流程途径顺序正确的是( )
(已知:RCH=CHR'RCHO+ R'CHO)
①取代反应 ②加成反应 ③氧化反应
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(3)醛类可以氧化为羧酸,也可还原为醇。
思维导引:解答本题应注意以下三点:
(1)引入酯基,则先引入羟基和羧基;引入羧基,则先引入醛基。
(2)醇发生消去反应生成烯烃,烯烃氧化可以得到二元醛。
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答案 B
解析 用环己醇制取己二酸己二酯可先采用逆推法进行分析,己二酸己二酯⇒己二酸和己二醇⇒己二醛。结合信息己二醛可由环己烯氧化得到,环己烯可由环己醇消去反应得到。那么用环己醇制取己二酸己二酯的流程中,依次发生消去反应、氧化反应、还原反应(或加成反应)、酯化反应,即⑤③④⑥,故选B项。
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【变式1】化合物A 可由环戊烷经三步反应合成:
,则下列说法错误的是( )
A.反应1可用试剂是氯气
B.反应3可用试剂是氧气和铜
C.反应1为取代反应,反应2为消去反应
D.A可通过加成反应合成Y
答案 C
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解析 由 制取 ,环戊烷和氯气在光照条件下发生取代反应生成 , 和氢氧化钠的水溶液在加热条件下发生取代反应生成Y,Y为 , 在铜作催化剂加热条件下发生催化氧化反应生成 ,所以反应1的试剂和条件为Cl2/光照,反应2的化学方程式为 +NaOH +NaCl,反应3可用的试剂为O2/Cu。由上述分析可知,反应1可用的试剂是氯气,A项正确;反应3是将羟基氧化成羰基,所以可用的试剂是氧气和铜,B项正确;
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反应1为取代反应,反应2为卤代烃的水解反应,属于取代反应,C项错误;A为 ,Y为 ,则羰基与氢气发生加成反应可实现转化,D项正确。
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探究点2 有机合成方案的设计
1.乙酸是醋的主要成分,而醋几乎贯穿了整个人类文明史。
(1)工业上大量使用的乙酸是通过石油化学工业人工合成的。请以乙烯为原料设计路线合成乙酸。
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答案 (1)合成路线如下:
CH2CH2CH3CH2OHCH3CHO
CH3COOH。
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(2)目前出现了乙烯直接氧化得到乙酸的方法:由乙烯在催化剂(如氯化钯:PdCl2)存在的条件下,与氧气发生反应生成。假定有机合成路线的每一步的产率为70%,试比较上述两种合成路线的总产率。哪种合成路线最优?
答案 (2)(1)中合成路线的产率为70%×70%×70%=34.3%,小于(2)中合成路线的70%,故(2)中合成路线最优。
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2.现有 、溴、浓硫酸和其他无机试剂,请设计出由 的正确合成路线。
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答案 在设计合成路线时,需要考虑碳碳双键保护,可以暂时使
碳碳双键发生加成反应,等引入新的官能团后,再通过消去反应
生成碳碳双键,即
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1.有机合成的分析方法
分析方法 思维解读
正合成
分析法 采用正向思维方法,从已知原料入手,找出合成所需的直接或间接的中间体,逐步推向待合成有机物,其思维程序:原料→中间体→产品
逆合成
分析法 采用逆向思维方法,从产品的组成、结构、性质入手,找出合成所需的直接或间接的中间体,逐步推向已知原料,其思维程序:产品→中间体→原料
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综合比
较法 采用综合思维的方法,将正向或逆向推导出的几种合成途径进行比较,从而得到最佳合成路线
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2.利用逆合成法设计有机合成路线的一般程序
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3.常见有机物的相互转化
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4.中学常见的合成路线
(1)脂肪烃为基础原料到酯的合成路线
①一元合成路线:R—CHCH2 卤代烃一元醇一元醛一元羧酸酯。
②二元合成路线:CH2CH2CH2X—CH2X二元醇二元醛二元羧酸链酯、环酯、聚酯。
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(2)芳香族化合物的合成路线:
①
酯
②
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【例题2】某石油化工产品X的转化关系如图所示,下列判断错误的是( )
A.X→Y是加成反应
B.乙酸→W是酯化反应,也是取代反应
C.Y能与钠反应产生氢气
D.W能与NaOH溶液反应,但不能与稀硫酸反应
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(1)抓住转化图中的乙酸为突破口,确定X含有两个碳原子,即为乙烯;
(2)根据转化条件确定框图中的有机物;
(3)结合选项,逐一分析、判断。
答案 D
解析 X为石油化工产品,并结合图示转化关系可推知X为CH2CH2,Y为C2H5OH,Z为CH3CHO,W为乙酸乙酯。乙酸乙酯与NaOH溶液和稀硫酸均能发生水解反应,D项错误。
思维导引:解答该题的思维流程如下:
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【变式2】1,4-二氧六环 可通过下列方法制取:
烃AB C 1,4-二氧六环,则烃A为
( )
A.乙炔 B.1-丁烯
C.1,3-丁二烯 D.乙烯
答案 D
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解析 根据1,4-二氧六环的结构,可以推知它是由两分子乙二醇HO—CH2—CH2—OH 脱水后形成的环氧化合物;生成乙二醇的可能是1,2-二溴乙烷 ;生成1,2-二溴乙烷的应该是乙烯,所以反应流程为
CH2CH2 。
解析 根据1,4-二氧六环的结构,可以推知它是由两分子乙二
醇HO—CH2—CH2—OH 脱水后形成的环氧化合物;生成乙二醇
的可能是1,2-二溴乙烷 ;生成1,2-二溴乙烷的
应该是乙烯,所以反应流程为
CH2CH2
。
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课末 随堂演练
1.(有机合成)在有机合成中,常需将官能团消除或增加,下列合成路线不简洁的是( )
A.乙烯乙二醇:CH2CH2
B.溴乙烷乙醇:CH3CH2BrCH2CH2CH3CH2OH
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1.(有机合成)在有机合成中,常需将官能团消除或增加,下列合成路线不简洁的是( )
C.1-溴丁烷1-丁炔:CH3CH2CH2CH2BrCH3CH2CHCH2
CH3CH2C≡CH
D.乙烯乙炔:CH2CH2 CH≡CH
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答案 B
解析 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,发生取代反应产生乙二醇,两步实现物质转化,合成路线简洁,A项不符合题意;溴乙烷是卤代烃,可以与NaOH水溶液共热,发生取代反应产生乙醇,一步就可以实现物质的转化,因此上述题干的转化步骤不简洁,B项符合题意;
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1-溴丁烷与NaOH的乙醇溶液共热发生消去反应产生1-丁烯CH3CH2CHCH2,CH3CH2CHCH2与Br2发生加成反应产生1,2-二溴丁烷 , 再与NaOH的乙醇溶液共热发生消去反应产生1-丁炔,反应步骤简洁,C项不符合题意;乙烯与Br2水发生加成反应产生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产生乙炔,反应步骤简洁,D项不符合题意。
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2.(碳链的增长)碳链增长在有机合成中具有重要意义,它是实现由小分子有机物向较大分子有机物转化的主要途径。某同学设计了如下4个反应,其中可以实现碳链增长的是( )
A.CH3CH2CH2CH2Br和NaCN共热
B.CH3CH2CH2CH2Br和 NaOH 的乙醇溶液共热
C.CH3CH2Br和NaOH 的水溶液共热
D.CH3CH2CH3和Br2(g)光照
答案 A
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解析 A项反应为CH3CH2CH2CH2Br+NaCNCH3CH2CH2CH2CN+NaBr,可增加一个碳原子;B、C项可实现官能团的转化,但碳链长度不变;D项中可引入溴原子,但也不会实现碳链增长。
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3.(逆合成分析法)1,4-环己二醇( )是生产某些液晶材料和药物的原料,现以环己烷( )为基础原料,使用逆合成分析法设计它的合成路线如下。下列说法正确的是( )
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A.有机物X、Y、M均为卤代烃
B.有机物X和Y可能为同分异构体,也可能为同种物质
C.反应①为取代反应,反应⑦为加成反应
D.合成过程涉及取代反应、加成反应、消去反应
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答案 D
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解析 根据逆推法可知,由环己烷与氯气发生取代反应生成 , 发生消去反应生成 , 与溴发生加成反应生成 , 再发生消去反应生成 , 与溴发生1,4-加成生成 ,
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与氢气发生加成反应生成 , 发生水解反应生成 。有机物X为 ,Y为 均为卤代烃,M为 ,
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为环烯烃,A项错误;有机物X和Y分别为 、 ,为同分异构体,不可能为同种物质,B项错误;反应①为
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在氢氧化钠的水溶液中发生水解反应生成 ,也属于取代反应,反应⑦为 在氢氧化钠的醇溶液中发生消去反应生成
,C项错误;综上分析,合成过程涉及取代反应、加成反应、消去反应,D项正确。
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4.(有机合成与推断)如图是以环戊烷为原料制备环戊二烯的合成路线,下列说法正确的是( )
A.A的结构简式为
B.环戊二烯与Br2以1∶1的物质的量之比加成可生成
C.反应④的反应试剂和反应条件是浓H2SO4、加热
D.①②③的反应类型分别为取代、水解、消去
答案 B
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解析 环戊烷与氯气取代生成 , 发生消去反应生成 , 与Br2发生加成反应生成 , 发生消去反应生成 。根据上述分析可知A是环戊烯( ),A项错误;环戊二烯与Br2以1∶1的物质的量之比加成时,若发生1,4加成反应,可生成 ,B项正确;反应④是 (或相似二元卤代烃)变为
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的反应,反应条件是NaOH的乙醇溶液,并加热,C项错误;根据前面分析可知①是取代反应,②是消去反应,③是加成反应,D项错误。
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5.(有机合成与推断)H是一种香料,可用如图所示的设计方案合成。
已知:①在一定条件下,有机物有下列转化关系(X为卤素原子):
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②烃A和等物质的量的HCl在不同的条件下发生加成反应,既可以生成只有一个甲基的B,也可以生成含有两个甲基的F。
(1)D的结构简式为 。
答案 (1)CH3CH2CHO
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解析 由图示的转化关系和题中信息可知,A应为CH3CHCH2,由C→D→E可知,C应为CH3CH2CH2OH,则B为CH3CH2CH2Cl,F为 ,则D、E、G的结构简式可分别推出。
(1)D应为丙醛CH3CH2CHO。
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(2)烃A→B的化学方程式是 。
答案 (2)CH3CHCH2+HClCH3CH2CH2Cl
解析 (2)A→B的反应是在H2O2条件下发生的加成反应。
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(3)F→G的化学反应类型为 。
答案 (3)取代反应(水解反应)
解析 (3)F→G的反应是卤代烃的水解反应,属于取代反应。
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(4)E+G→H的化学方程式是 。
答案 (4)CH3CH2COOH+CH3CH(OH)CH3CH3CH2COOCH(CH3)2+H2O
解析 (4)E为丙酸,G为2-丙醇,生成H的反应为酯化反应。
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(5)H有多种同分异构体,其中含有一个羧基,且其烃基上一氯代物有两种的是 (填结构简式)。
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答案 (5)
解析 (5)H属于酯类,与6个碳原子的饱和一元羧酸互为同分异构体,因烃基上只有两种不同化学环境的氢原子,故其结构简式为 。
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课时作业(十五)
(建议用时:40 min)
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制 作 者:状元桥
适用对象:高中学生
制作软件:Powerpoint2010、
Photoshop cs3
运行环境:WindowsXP以上操作系统
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