3.5有机合成路线的设计与实施 -2024-2025学年高中化学人教版（2019）选择性必修3

有机合成路线的设计与实施 (1)基础：掌握碳骨架构建和官能团转化的基本方法。 (2)设计与选择的原则：贯彻“绿色化学”理念，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。 主题1:有机合成路线设计的原则 有机合成路线确定的要素 　  1.碳链的增长 (1)炔烃与HCN发生加成反应,所得产物再经水解生成羧酸。如: CH        (2)醛与HCN发生加成反应,所得产物再经催化加氢还原生成氨基醇。如:         碳链的增长      知识拓展    卤代烃与NaCN的反应也能使碳链增长,如:CH3CH2Br CH3CH2CN  CH3CH2COOH。 (3)醛、酮与HCN发生加成反应,所得产物再经水解生成羟基酸。如: 碳链的增长  + H3CHO     CH3— H  HCHO+H2O (5)加聚反应,如: nCH2  CH2  (4)羟醛缩合反应:醛分子中在醛基邻位碳原子上的氢原子(α-H)受羰基吸电子作用的影响,具 有一定的活泼性。分子内含有α-H的醛在一定条件下可发生加成反应,生成β-羟基醛,该产物 易失水,得到α,β-不饱和醛。这类反应被称为羟醛缩合反应。如: 碳链的增长     +R—COOH (3)炔烃被酸性高锰酸钾溶液氧化,生成碳链缩短的羧酸。如:    RCOOH (4)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。如:      (2)烯烃被酸性高锰酸钾溶液氧化,生成碳链缩短的羧酸或酮。如: 2.碳链的缩短 (1)烷烃的裂化、裂解。如: C4H10  C2H6+C2H4 碳链的缩短  +     3.成环反应 (1)第尔斯-阿尔德反应:共轭二烯烃与其他含碳碳双键的化合物在一定条件下反应得到环加 成产物。如: 成环反应     +2H2O (2)形成环酯。如: + +2H2O     +H2O    OHCCH2CH2CH2CH2CHO 4.开环反应 (1)环酯的水解开环,如:  +H2O    (2)环烯烃的氧化开环,如: 开环反应   1.官能团的引入 (1)引入碳碳双键 ①醇或卤代烃的消去反应,如: CH3CH2OH  CH2 CH2↑+H2O CH3CH2Br+NaOH  CH2 CH2↑+NaBr+H2O ②炔烃与氢气、卤化氢、卤素单质的不完全加成反应,如:  +HCl  CH2 CHCl 官能团的引入 CH3CH3+Cl2 CH3CH2Cl+HCl  +Br2   +HBr↑ ②醇与氢卤酸或酚与Br2的取代反应,如: CH3CH2OH+HBr CH3CH2Br+H2O  +3Br2   ↓+3HBr ③烯烃或炔烃与卤素单质或卤化氢的加成反应,如: CH2 CH2+Br2  CH2BrCH2Br (2)引入碳卤键 ①烷烃或苯及其同系物的取代反应,如: 官能团的引入 CH CH+HCl  CH2 CHCl (3)引入羟基 ①烯烃与水加成,如: CH2 CH2+H2O CH3CH2OH ②醛或酮与H2加成,如: CH3CHO+H2  CH3CH2OH  +H2    ③卤代烃或酯的水解反应,如: CH3CH2Br+NaOH  CH3CH2OH+NaBr 官能团的引入 CH3COOC2H5+H2O  CH3COOH+C2H5OH ④酚盐溶液与CO2、HCl等反应,如:  +HCl  +NaCl  +H2O+CO2  +NaHCO3 (4)引入羧基 ①醛的氧化反应,如: 2CH3CHO+O2 2CH3COOH 官能团的引入 ②酯的水解反应,如: CH3COOC2H5+H2O  CH3COOH+C2H5OH ③某些烯烃、苯的同系物被酸性高锰酸钾溶液氧化的反应,如: CH3CH CHCH3  CH3COOH     ④伯醇被酸性高锰酸钾溶液氧化的反应,如: R—CH2OH  R—COOH 官能团的引入 ①醇的催化氧化,如: 2CH3CH2OH+O2 2CH3CHO+2H2O ②某些烯烃被酸性高锰酸钾溶液氧化的反应,如:  C C(CH3)2  (CH3)2C O (5)引入醛基或酮羰基 官能团的引入 CH3(CH2)2OH  CH3CH CH2↑+H2O 2 +O2  2 +2H2O CH3OH+CH3COOH  CH3COOCH3+H2O (2)通过消去反应、氧化反应或酯化反应消除羟基(—OH)。例如: 官能团的消除 2.官能团的消除 (1)通过加成反应消除碳碳双键或碳碳三键等不饱和键。例如: CH2 CH2+H2  CH3—CH3 CH CH+2H2  CH3—CH3 CH3Br+NaOH  CH3OH+NaBr (5)通过水解反应可消除酯基。例如: CH3COOCH3+H2O  CH3COOH+CH3OH 官能团的消除 对比两种合成路线，不难发现：首先，从原料成本的角度考虑，路线一使用了Cl2和NaOH而路线二使用了O2和H2O，成本更低；其次，从原子利用率的角度考虑，路线一第二步的取代反应有副产物，原子利用率低，而路线二的原子利用率较高；最后，从环境保护的角度考虑，路线一使用了有毒的Cl2和有腐蚀性的NaOH，对环境不够友好。综合考虑以上因素，路线二更为合理。 主题1:有机合成路线设计的原则 ①原料溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒性、低污染 ②尽量选择步骤最少的合成路线，步骤越少，产率越高。 总产率=各步反应产率的乘积 ③合成路线要符合“绿色环保”的要求，提高原子利用率，达到零排放或污染排放少 ④有机合成反应要操作简单、条件温和、能耗低、产物易于分离提纯 ⑤要按一定的反应顺序和规律引入官能团，不能臆造不存在的反应事实，选择最佳合成路线 主题1:有机合成路线设计的原则 有机合成路线设计遵循的原则 以下为合成苯甲酸苯甲酯的两种路线，哪种方案更科学？ 路线1：步骤多，反应条件复杂，成本高，且使用较多的Cl2，不利于环境保护 路线2：步骤少，反应条件简单，成本低，且使用Cl2较少 思考探究 1.一元合成路线： R CH＝CH2 HX R CH2CH2 X 卤代烃 NaOH水溶液 Δ R CH2CH2 OH 一元醇 [O] R CH2CHO 一元醛 [O] R CH2COOH 一元羧酸 浓硫酸 Δ 酯 主题1:有机合成路线设计的原则 常见有机合成路线设计 2.二元合成路线： CH＝CH2 X2 X CH2CH2 X 卤代烃 NaOH水溶液 Δ HO CH2CH2 OH 二元醇 [O] OHC CHO 二元醛 [O] HOOC COOH 二元羧酸 浓硫酸 Δ 链酯、环酯、聚酯 主题1:有机合成路线设计的原则 常见有机合成路线设计 3.芳香族化合物合成路线 主题1:有机合成路线设计的原则 常见有机合成路线设计 从原料出发设计合成路线的方法步骤（正向设计图示） 简单、易得 碳骨架和官能团等方面的异同的比较 增长碳链或连接官能团来合成目标化合物 主题2:有机合成路线设计的基本方法 正向分析法 【思考与讨论1】人们最初是通过发酵法由粮食制备乙酸，现在食醋仍主要以这种方法生产，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，设计合理的路线合成乙酸。 【思考与讨论2】目前已经出现了将乙烯直接氧化生成乙酸的工艺。假定该工艺涉及的反应和【思考与讨论1】中合成路线的每一步反应的产率均为70%，请计算并比较这两种合成路线的总产率。 合成路线(1)经历三步反应 总产率应为: 70% x70% x70% = 34.3%，远低于合成路线(2)的70% 在设计有机合成路线时，应尽量减少反应步骤，从而获得较高的产率 目标化合物 适当位置断开相应的化学键 较小片段所对应的中间体 经过反应 适当位置断开相应的化学键 中间体 确定最适宜的基础原料和合成路线 逆合成分析示意图 从目标化合物出发逆合成分析法的基本思路（逆向设计图示） 主题2:有机合成路线设计的基本方法 逆向分析法 【思考与讨论3】乙酸乙酯可作为香料原料，在日常生活中有广泛的应用。请问如何利用乙烯合成乙酸乙酯？ CH3C O OC2H5 CH3COOH CH3CH2OH CH3CHO CH3CH2OH CH2 = CH2 CH2=CH2 【思考与讨论3】乙酸乙酯可作为香料原料，在日常生活中有广泛的应用。请问如何利用乙烯合成乙酸乙酯？ 【思考与讨论3】乙酸乙酯可作为香料原料，在日常生活中有广泛的应用。请问如何利用乙烯合成乙酸乙酯？ 步骤少，反应产率更高。 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。 (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。 【思考与讨论4】乙二酸二乙酯是医药和染料工业的原料，请设计和选择 乙二酸二乙酯的合成路线。 C O C O OC2H5 OC2H5 C O C O OH OH CH3CH2OH CH2 CH2 Cl Cl CH2 CH2 OH OH CH2=CH2 CH2=CH2 【思考与讨论5】香豆素是一种用途广泛的香料，可用于配制香精以及制造日用化妆品和香皂等。某同学设计的香豆素的合成路线为： 分析上述合成过程中，碳骨架是通过什么反应构建的？官能团是通过什么反应转化的？ 分析方法 内 容 正合成 分析法 采用正向思维方法，从已知原料入手，找出合成所需要的直接或间接的中间体，逐步推向待合成有机化合物，其思维程序： 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，找出合成所需要的直接或间接的中间体，逐步推向已知原料，其思维程序： 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 有机合成的分析方法 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 将非目标官能团保护起来,先将其转化为不受该反应影响的其他基团,反应后再转化复原。 1.羟基的保护 (1)醇羟基 　　先将羟基转化为在一般反应条件下比较稳定的结构(如醚键),相关合成反应结束后,再在 一定条件下脱除起保护作用的基团(保护基),恢复为羟基。 有机化合物在转化过程中官能团的保护 (2)酚羟基 　　因为酚羟基易被氧气、酸性高锰酸钾溶液等氧化,所以在氧化目标官能团前可先用氢氧 化钠溶液将其转化为酚钠,后酸化恢复为酚。 2.羧基的保护 　　羧基在高温或碱性条件下,有时也需要保护。最常用的保护羧基的方法是先与醇发生酯 化反应,将其转化为酯,后通过水解反应恢复为羧基。 RCOOH    3.氨基的保护 　　氨基易被氧化,所以在氧化目标官能团前可先用盐酸将其转化为—N ,后加氢氧化钠 溶液重新转化为氨基。 有机化合物在转化过程中官能团的保护 4.碳碳双键的保护 　　碳碳双键易被氧化,所以在氧化目标官能团前可先用氯化氢通过加成反应将其转化为氯 代物,后通过消去反应恢复为碳碳双键。 有机化合物在转化过程中官能团的保护 　　（2020•天津一模）化合物H是一种有机光电材料中间体。实验室由芳香族化合物A制备H的一种合成路线如下:   情景探究 已知:①RCHO+CH3CHO  RCH CHCHO+H2O; ② 。 情景探究 分析产物： 情景探究 情景探究 Tips： 解答有机合成或推断题时, 找解题的突破口的方法：   ①要善于根据反应试剂与反应条件,确定对应的反应类型。 ②正确理解题中给予的信息反应,在解答有机合成与推断题时,要抓住物质颜色变化、特殊的实验现象等。 情景探究 ★ ★ ★拓展：有机推断中常见的信息反应 (1)傅-克烷基化反应,如: +CH3CH2CH2Cl   +HCl。 (2)酯交换反应:R1COOR2+R3COOR4  R1COOR4+R3COOR2。 (3)双烯合成反应,如: +     。 (4)醛、酮与格氏试剂反应:R—X  RMgX   。 (5)羟醛缩合反应,如: +        +H2O。 情景探究 你学会了吗 答案    (1)碳碳双键    (CH3)2CHCH2OH (2)消去反应 (3)4　HCOOCH2CH2CH3、HCOOCH(CH3)2 (4)(CH3)2CHCOOH+   +H2O。 (5) 下列选项表述正确的是（ ） A.加聚反应可以使有机物碳链增长,取代反应不能。 B.在有机合成中,利用醇或卤代烃的消去反应可以在碳链上引入碳碳双键或碳碳三键等不饱 和键。 C.将 直接氧化就能得到 。 D.除去乙酸乙酯中混有的乙酸,可在混合液中加入NaOH溶液,然后用分液的方法除去。 练习 B 解析： A不正确。有的取代反应也可以使有机物碳链增长,如CH3CH2Br+    +NaBr。 B正确。醇或卤代烃的消去反应可以生成含碳碳双键或碳碳三键等不饱和键的有机物。 C不正确。酚羟基易被氧化,应先将其进行保护。可按以下途径进行转化:              。 D不正确。乙酸乙酯中混有乙酸,若在混合液中加入NaOH溶液,乙酸乙酯在NaOH溶液中会 发生水解。应用饱和Na2CO3溶液消耗乙酸,然后用分液法分离。 练习 （2024·全国甲卷·高考真题）白藜芦醇(化合物I)具有抗肿瘤、抗氧化、消炎等功效。 以下是某课题组合成化合物I的路线。 回答下列问题： (1)A中的官能团名称为 。 (2)B的结构简式为 。 (3)由C生成D的反应类型为 。 (4)由E生成F的化学方程式为 。 (5)已知G可以发生银镜反应，G的化学名称为 。 (6)选用一种鉴别H和I的试剂并描述实验现象 。 (7)I的同分异构体中，同时满足下列条件的共有 种(不考虑立体异构)。 ①含有手性碳(连有4个不同的原子或基团的碳为手性碳)； ②含有两个苯环；③含有两个酚羟基；④可发生银镜反应。 练习 （2012·全国·高考真题）对羟基苯甲酸丁酯（俗称尼泊金丁酯）可用作防腐剂，对酵母和霉菌有很强的抑制作用，工业上常用对羟基苯甲酸与丁醇在浓硫酸催化下进行酯化反应而制得。出下是某课题组开发的从廉价、易得的化工原料出发制备对羟基苯甲酸丁酯的合成路线： ①通常在同一个碳原子上连有两个羟基不稳定，易脱水形成羰基； ②D可与银氨溶液反应生成银镜； ③F的核磁共振氢谱表明其有两种不同化学环境的氢，且峰面积比为l ：1。 回答下列问题： （1）A的化学名称为 ； （2）由B生成C的化学反应方程式为 ； 该反应的类型为 ； （3）D的结构简式为 ； （4）F的分子式为 ； （5）G的结构简式为 ； （6）E的同分异构体中含有苯环且能发生银镜反应的共有 种，其中核磁共振氢谱有三种不同化学环境的氢，且峰面积比为 2：2：1的是 （写结构简式）。 $$