内容正文:
第三单元 有机合成设计
专题5 药物合成的重要原料——卤代烃、胺、酰胺
栏目索引
基础落实 梳理必备知识
重难探究 提升关键能力
学以致用 发展科学素养
课程标准 核心素养
1.掌握有机化学反应的主要类型(取代、加成、消去反应)原理及应用,初步学会引入官能团的方法。
2.在掌握各类有机物的性质、反应类型、相互转化的基础上,初步学会使用逆向合成法合理地设计有机合成的路线。 1. (宏观辨识与微观探析)通过碳骨架的构建、官能团的转化,体会有机合成基本任务,掌握有机物分子碳骨架的构建,官能团引入、转化或消除的方法。
2.(科学态度与社会责任)体会有机合成在发展经济、提高生活质量方面的贡献及对健康、环境造成的影响,能用“绿色化学”的理念指导合成路线的选择。
专题5 药物合成的重要原料——卤代烃、胺、酰胺
化学 选择性必修 3 有机化学基础 S
一、有机物基团间的相互影响
有机化合物分子中邻近基团往往存在着相互影响,这种影响会使有机化合物表现出一些特性。例如:甲苯的性质与苯相比,具有一定的相似性,同时也有一定的差异。究其原因,是因为苯环受到甲基的影响,更容易发生取代反应;与此同时,甲基受到苯环的影响,也容易被氧化剂所氧化。研究发现,无论是烃类物质,还是烃的衍生物都具有以上类似的现象。
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1.实验探究苯环对—OH的影响
实验
操作
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实验
现象 开始时两试管中NaOH溶液的pH相同;加入乙醇的试管中pH不变,而加入苯酚的试管中pH减小
实验
结论 乙醇分子中的羟基不能电离,乙醇呈中性,而苯酚分子中的羟基能电离,苯酚显酸性
微观
解释 苯酚分子中的苯基影响了与其相连的羟基上的氢原子,促使它比乙醇分子中羟基上的氢原子更易电离
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苯 苯酚
反应物 ________________ ____________________
反应条件 _________________ ________
被取代的
氢原子数 ____ ____
2.比较苯和苯酚的溴代反应
苯、液溴
苯酚、溴水
FeBr3、常温
常温
1
3
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苯 苯酚
反应速率 ____ ____
微观解释 羟基影响了与其相连的苯基上的氢原子,使邻、对位的氢原子更活泼,更容易被其他原子或原子团取代
小
大
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[微点拨] 官能团与有机化合物性质的联系
(1)有机化合物性质是由结构决定的;我们可以根据有机化合物的官能团中各键的极性强弱、碳原子饱和程度推测物质可能发生的化学反应。
(2)官能团与有机物性质的关系
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二、重要有机物之间的相互转化
1.常见有机物的转化关系
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CH2===CH2↑+H2O
CH2===CH2↑+NaBr+H2O
CH2===CHCl
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(2)卤素原子
①烃与卤素单质的取代反应
CH3CHBrCH3(或BrCH2CH2CH3)
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CH3—CH2—Br+H2O
(3)羟基
①烯烃与水的加成反应
CH2===CH2+H2O _____________。
②卤代烃的水解反应
CH3—CH2—Br+NaOH ______________________ 。
CH3CH2OH
CH3CH2—OH+NaBr
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CH3COOH+CH3CH2OH
CH3COONa+CH3CH2OH
CH3CH2OH
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3.医药工业合成“扑热息痛”的过程
其中的母体________不变,苯环上的____________发生变化,这些变化也反映出不同____________的一些特殊性质。
苯环
取代基
官能团
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三、有机合成的一般过程
1.已知起始原料和目标产物的有机合成
(1)有机合成过程示意图
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(2)应用例析
①一元化合物合成路线(以酯的合成为例)
②二元化合物合成路线
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b.
③芳香族化合物合成路线
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2.逆合成分析法
它是将目标化合物倒退一步,寻找上一步反应的中间原料,即前体,依次倒推,最后确定最适宜的________________和最终的合成路线。其基本思路是,将目标分子中的化学键切断或转换官能团,推出拟合成目标分子的前体,再根据前体推出最初的原料。
(1)基本思路
基础原料
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(2)基本原则
①确定合成路线中的各步反应时,应尽可能选择反应条件温和、产率高的反应。
②所使用的基础原料和辅助原料应该是____________、____________、易得和廉价的。
低毒性
低污染
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(3)应用例析
由“逆合成分析法”分析由乙烯合成草酸二乙酯的具体步骤如下:
①草酸二乙酯分子中含有两个酯基,按酯化反应规律将酯基断开,得到________和____________,说明目标化合物可由________和____________通过酯化反应得到:
乙醇
乙二酸
乙醇
乙二酸
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②羧酸可由醛氧化得到,乙二酸的前体应该是乙二醛
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④乙二醇的前体是1,2-二氯乙烷。1,2-二氯乙烷可通过乙烯的加成反应而得到:
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微辨析(判一判)
(1)乙烷和乙烯性质不同是由于基团之间的相互影响( )
(2)乙醇和乙酸都含有—OH,但乙酸能与NaOH反应,而乙醇不能,是由于基团之间的影响( )
(3)乙醇在浓硫酸催化作用下,加热到140 ℃时主要发生分子间脱水生成乙醚,而加热到170 ℃时主要发生分子内脱水生成乙烯,是由于反应条件的不同( )
(4)甲苯比苯更易与硝酸发生取代反应,是由于甲基对苯环的影响( )
×
√
√
√
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探究一 有机物基团间的相互影响
已知在浓硝酸、浓硫酸条件下,苯、甲苯发生硝化反应生成一取代产物的温度分别是50~60 ℃、30 ℃。甲烷不能被酸性KMnO4溶液氧化,而甲苯却能被酸性KMnO4溶液氧化。你能解释原因吗?
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[问题探究]
(1)为何甲烷不易被氧化?甲苯中的甲基易被氧化?
提示:因为苯环对甲基有影响,所以甲苯可以被酸性高锰酸钾溶液氧化生成苯甲酸。
(2)为何甲苯中的邻位、对位氢容易被取代?
提示:苯环对甲基的影响,使甲基上的氢变得活泼。
苯环上原有的取代基对苯环上再导入另外取代基的位置有一定的影响。有两种情况:
原取代基使新导入的取代基进入苯环的邻、对位,如—OH、—CH3(或烃基)、—Cl、—Br、—O—COR等;原取代基使新导入的取代基进入苯环的间位,如—NO2、—SO3H、—CHO等。
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有机物基团间的相互影响常见情况分析
1.烃侧链(甲基等)与苯之间
①侧链影响苯环,使苯环上的氢原子比苯更易被取代。
②苯环影响侧链,使侧链能被强氧化剂氧化。
2.羟基与苯之间
①苯酚分子中的苯基影响了与其相连的羟基上的氢原子,促使它比乙醇分子中羟基上的氢原子更易电离。
②羟基影响了与其相连的苯基上的氢原子,使邻、对位的氢原子更活泼,更容易被其他原子或原子团取代。
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3.C===O键与—OH之间
—OH受C===O键的影响:—O—H更易断。
C===O键受—O—H的影响:C===O键不易断。
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【例1】 下列事实不能说明有机物分子中基团之间存在相互影响的是( )
A.苯在50~60 ℃时发生硝化反应而甲苯在30 ℃时即可
B.等物质的量的乙醇和甘油与足量的金属钠反应,后者产生的氢气比前者多
C.苯与液溴在溴化铁作催化剂下发生反应,而苯酚与浓溴水混合就能发生反应
D.甲苯能使酸性高锰酸钾溶液褪色而甲烷不能
B
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解析:
苯在50~60 ℃时发生硝化反应而甲苯在30 ℃时即可,说明甲基使苯环上的氢原子变得更活泼,A不符合题意;等物质的量的乙醇和甘油与足量的金属钠反应,后者产生的氢气比前者多,是因为甘油分子中羟基个数比乙醇中多,不能说明有机物分子中基团之间存在相互影响,B符合题意;苯与液溴在溴化铁作催化剂下发生反应,而苯酚与浓溴水混合就能发生反应,说明羟基使苯环上的氢原子变得更活泼,C不符合题意;甲苯能使酸性高锰酸钾溶液褪色而甲烷不能,说明苯环使甲基变得易被氧化,D不符合题意。
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1.下列事实不能用有机化合物分子中基团间的相互作用解释的是( )
A.乙醛能与H2发生加成反应,而乙醇不能
B.苯酚能与浓溴水发生取代反应,而苯不能
C.苯酚能与NaOH溶液发生中和反应,而乙醇不能
D.苯在50~60 ℃时发生硝化反应而甲苯在30 ℃时即可反应
A
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解析:
乙醛含有醛基,能与H2发生加成反应,而乙醇含有羟基,不含有不饱和键,不能用有机化合物分子中基团间的相互作用解释,A符合题意;苯酚能与溴水发生取代反应生成三溴苯酚和溴化氢,而苯不能与溴水发生取代反应,说明酚羟基使苯环上的H原子变得活泼,B不符合题意;受苯环的影响,苯酚中的羟基氢原子变得比较活泼,所以苯酚能与NaOH溶液反应,而乙醇不能,能用基团间的相互影响解释,C不符合题意;苯在50~60 ℃时发生硝化反应,甲苯在30 ℃时即可反应,甲基使得苯环上的H变得活泼,D不符合题意。
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探究二 有机物之间的转化及有机合成
你知道汽车防冻液的主要成分吗?
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[问题探究]
(1)乙二醇是常见的汽车防冻液,以乙烯为原料如何合成乙二醇?
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(2)乙二酸二乙酯是一种医药和染料工业原料,你认为一步合成该有机物的直接原料是什么?如果起始原料只有乙烯,又如何进一步合成这些直接原料呢?
提示:乙二酸二乙酯属于酯,应用醇和酸合成,直接原料是乙二酸和乙醇。
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(3)在实际工业生产中,乙二醇一般通过下列方法制得。分析生产中选择该路线的可能原因。
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提示:原因1:采用溴水、氢氧化钠,可能污染环境,腐蚀设备;实际工业生产工艺采用氧气和水,成本低,对环境污染小。
原因2:卤代烃水解反应原子利用率小于100%;而实际工业生产工艺中原子利用率要尽可能达到100%。
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1.设计合成路线的基本原则
(1)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;
(3)反应条件温和,操作简便,产物易于分离提纯;
(4)污染排放少;
(5)在进行有机合成时,要贯彻“绿色化学”理念等。
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2.构建碳骨架
(1)碳链增长——①炔烃与HCN加成
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3.官能团保护
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。
(1)醇羟基的保护
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(2)酚羟基的保护
因酚羟基易被氧化,所以在氧化其他基团前可以先使其与NaOH反应,把—OH转变为—ONa保护起来,待氧化其他基团后再酸化将其转变为—OH。
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(3)碳碳双键的保护
碳碳双键也容易被氧化,在氧化其他基团前可以利用其与卤素单质、卤化氢等的加成反应将其保护起来,待氧化其他基团后再利用消去反应将其转变为碳碳双键。
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(4)醛基的保护
醛基可被弱氧化剂氧化,为避免其在反应过程中受到影响,对其保护和恢复过程为
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【例2】 碳骨架的构建是有机合成的重要任务之一。某同学从基础化工原料乙烯出发,针对二酮H设计了如下合成路线:
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回答下列问题:
(1)D的同分异构体中,与其具有相同官能团的有________种(不考虑对映异构),其中1H核磁共振谱有三组峰,峰面积之比为9∶2∶1的结构简式为____________________。
(2)E与足量酸性KMnO4溶液反应生成的有机物的名称为________、________。
(3)G的结构简式为________。
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解析:
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种同分异构体,其中1H核磁共振谱有三组峰,峰面积之比为9∶2∶1的结构简式为
(2)E为 ,酸性高锰酸钾溶液可以将双键氧化断开,生成和 名称分别为乙酸和丙酮。
(3)根据D→E与F→G的反应条件可知,F→G是醇的消去反应,再结合H的结构简式可知,G为 。
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2.天然产物H具有抗肿瘤、镇痉等生物活性,可通过以下路线合成。
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—COOH等)
回答下列问题:
(1)A的链状同分异构体可发生银镜反应,写出这些同分异构体所有可能的结构:________________________________________。
(2)在1H核磁共振谱中,化合物B有________组吸收峰。
(3)化合物X的结构简式为____________。
(4)D→E的反应类型为____________。
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解析:
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(4)D→E为已知条件的反应,反应类型为加成反应。
(5)根据F的结构简式,有机物F的分子式为C13H12O3,有机物G中含有的官能团名称是酯基、羰基。
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1.官能团的转化在有机合成中极为常见,能够在碳链上引入醇羟基的反应类型是( )
①取代反应 ②加成反应 ③消去反应
④水解反应 ⑤还原反应 ⑥氧化反应
⑦酯化反应 ⑧硝化反应
A.①②⑥⑦ B.①②④⑤
C.③⑥⑦⑧ D.②③⑤⑥
B
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解析:
在碳链上引入醇羟基,可由—Cl、—Br在碱性条件下水解(或取代)生成,也可由酯发生水解反应生成,则①④正确;也可由 与氢气发生加成反应生成或由 与水发生加成反应生成,该反应也为还原反应,则②⑤正确;消去反应、氧化反应、酯化反应以及硝化反应不能引入醇羟基。
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解析:
采用逆合成分析法合成苯乙酸乙酯:
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D
3.高分子M广泛用于牙科黏合剂等口腔护理产品,合成路线如下:
下列有关说法不正确的是( )
A.试剂a是甲醇
B.化合物B不存在顺反异构
C.有机物B和C合成M的反应是加聚反应
D.1 mol高分子M发生水解最多消耗2 mol NaOH
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解析:
由图中转化关系可得,试剂a为甲醇,A正确;化合物B为CH2===CHOCH3,不满足双键碳上连接不同的原子或原子团,则不存在顺反异构,B正确;有机物B和C合成M的反应是加聚反应,C正确;1 mol高分子M发生水解最多消耗2n mol NaOH,D错误。
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4.有机化合物A~H的转化关系如图所示:
(1)A是有支链的炔烃,其名称是__________。
(2)F所属的类别是________________。
(3)写出G的结构简式:________________。
答案:(1)3-甲基-1-丁炔(或异戊炔)
(2)卤代烃
(3)CH3CH(CH3)CHOHCH2OH
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解析:
A是有支链的炔烃,由分子式可知为CH3CH(CH3)C≡CH,与氢气发生加成反应生成的E可进一步与溴反应,则E应为烯烃,结构简式为CH3CH(CH3)CH===CH2,F为CH3CH(CH3)CHBrCH2Br,G为CH3CH(CH3)CHOHCH2OH,一定条件下与乙二酸发生酯化反应生成H,由H的分子式可知H为缩聚反应的产物,据此解答该题。
(1)A是有支链的炔烃,为CH3CH(CH3)C≡CH,名称为3-甲基-1-丁炔(或异戊炔)。
(2)F为CH3CH(CH3)CHBrCH2Br,属于卤代烃。
(3)由以上分析可知G为CH3CH(CH3)CHOHCH2OH。
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2.常见官能团引入或转化的方法
(1)碳碳双键
①醇的消去反应
CH3CH2OH_____________________________。
②卤代烃的消去反应
CH3—CH2—Br+NaOH___________________________。
③炔烃的不完全加成反应
CH≡CH+HCl____________________________。
CH2===CHCH3+HBr―→_______________________________;
CH≡CH+HClCH2===CHCl。
________________;
____________________________。
②不饱和烃的加成反应
_______________;
③醇的取代反应
CH3—CH2—OH+HBr___________________________。
④酯的水解反应
CH3COOCH2CH3+H2O_________________________;
CH3COOCH2CH3+NaOH___________________________。
熟悉烃及其衍生物之间的相互转化是有机合成的基础。
③醛或酮的还原反应
CH3CHO+H2______________;
⇒___________________________ ;
③乙二醛的前体是乙二醇:;
⑤乙醇可以通过乙烯与水的加成得到。
根据以上分析,合成步骤如下(用化学方程式表示):
ⅰ:CH2===CH2+H2OCH3CH2OH
根据以上逆合成分析,合成步骤如下:
甲烷不能被酸性KMnO4溶液氧化。
提示:CH2===CH2
CH2BrCH2Br+2NaOHCH2OHCH2OH+2NaBr
②醛与HCN加成
③分子内含有α-H的醛与醛基加成
(2)碳链缩短——①不饱和烃被KMnO4/H+氧化
②芳香烃侧链被KMnO4/H+氧化
(3)碳链成环-共轭二烯烃与含碳碳双键的化合物发生第尔斯-阿尔德反应(Diels—Alder reaction)
(4)已知:,H在碱性溶液中易发生分子内缩合从而构建双环结构,主要产物为I()和另一种α,β-不饱和酮J,J的结构简式为____________。若经此路线由H合成I,存在的问题有________(填标号)。
a.原子利用率低 b.产物难以分离 c.反应条件苛刻 d.严重污染环境
答案:(1)7
(2)乙酸 丙酮
(3)
(4) ab
(1)D为,分子式为C5H12O,含有羟基的同分异构体分别为
共8种,除去D自身,还有
(4)根据已知的反应特征可知,H在碱性溶液中易发生分子内缩合从而构建双环结构,主要产物为I()和J()。若经此路线由H合成I,会同时产生两种同分异构体,导致原子利用率低,产物难以分离的问题。
(5)F的分子式为____________,G所含官能团的名称为____________。
(6)以和≡—COOCH3为原料,合成,在方框中写出路线流程图(无机试剂和不超过2个C的有机试剂任选)。
答案:(1)H2C===CHCH2CHO、
(2)4
(3)≡—COOH
(4)加成反应
(5)C13H12O3 羰基、酯基
(6)
(1)A的链状同分异构体可发生银镜反应说明该同分异构体中含有醛基,故可能的结构为
(2)根据B的结构,有机物B中含有4种不同化学环境的H,故在1H核磁共振谱中有4组峰。
(3)根据有机物C和有机物D的结构,有机物C与有机物X发生酯化反应生成有机物D,则有机物X的结构简式为
(6)利用和≡—COOCH3反应制得,可先将环己醇脱水得环己烯,将环己烯()与溴发生加成反应,再发生消去反应制得1,3环己二烯(),将1,3环己二烯与≡—COOCH3发生已知条件的反应制得,反应的具体流程为
2.苯乙酸乙酯( )是一种常见的合成香料。请
设计合理的方案以苯甲醛( )和乙醇为原料合成苯乙酸乙酯(用合成路线流程图表示,并注明反应条件)。
提示:(1)R—Br+NaCN―→R—CN+NaBr,
R—CNR—COOH;
(2)合成过程中无机试剂任选;
(3)合成路线流程图示例如下:
CH3CH2OHH2C===CH2BrCH2—CH2Br。
________________________________________________________
答案:
$$