3.5.2有机合成路线的设计和实施 课件-2024-2025学年高二下学期化学人教版（2019）选择性必修3

第三章 烃的衍生物 3.5.2有机合成路线的设计与实施 19世纪20年代 德国·维勒首次人工合成有机物尿素 颠茄酮 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%。十几年后，罗宾逊仅用3步反应便完成合成，总产率达90%。 20世纪中后期 伍德沃德与多位化学家合作，成功合成了奎宁、胆固醇、叶绿素、红霉素、维生素B12等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。 后续 科里提出了系统化的逆合成概念，开始利用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。 有机合成的发展史 一、有机合成路线的设计 简便而对环境友好的操作得到目标产物。 进行合理的设计与选择 较低的成本和较高的产率 碳骨架构建 官能团转化 有机合成路线的确定 1、正合成分析法 从简单、易得的原料出发，比较原料分子和产物分子在碳骨架和官能团等方面的异同，有目的的增加碳链或连上官能团，直到得到目标化合物。 基础原料 辅助原料 副产物 副产物 中间体 中间体 辅助原料 辅助原料 目标化合物 图3-28 有机合成过程示意图 (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式生产，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，并以图3-28的形式呈现，分析该合成过程中官能团的变化。 【思考与讨论】 CH2=CH2 中间体 CH3CH2OH CH3CHO 辅助原料 Cu、O2 辅助原料 H2O、催化剂 CH3COOH 基础原料 中间体 目标化合物 辅助原料 O2、催化剂 副产物H2O 官能团的变化: 碳碳双键→羟基→醛基→羧基 (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(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。 CH2=CH2 CH3CH2OH CH3CHO CH3COOH 70% 70% 70% 产率 = 70%×70%×70%=34.2% CH2=CH2+O2 CH3COOH 催化剂 产率=70% 遵循原则： 合成步骤应尽可能少，以提高产率。 练习1. 请用流程图表示出最合理的合成路线。 (1)将乙醇转化成乙二醇(改变官能团的数目)。 CH2=CH2 CH3CH2OH 170℃ 浓硫酸 溴水 CH2 CH2 Br Br NaOH水溶液 △ CH2 CH2 OH OH (2)将1-丙醇转化成2-丙醇(改变官能团的位置)。 CH3CH2CH2OH 浓硫酸 △ CH3CH=CH2 HBr CH3CHCH3 Br NaOH水溶液 △ CH3CHCH3 OH 2、逆合成分析法 它的基本思路是在目标化合物的适当位置断开相应的化学键，目的是使得到的较小片段所对应的中间体经过反应可以得到目标化合物；接下来继续断开中间体适当位置的化学键，使 其可以从更上一步的中间体反应得来；依次倒推，最后确定最适宜的基础原料和合成路线。 目标 化合物 中间体1 中间体2 基础原料 以乙二酸二乙酯这种医药和染料工业原料的合成为例，说明有机合成路线的设计和选择。 CH3CH2OH CH2 CH2 Cl Cl CH2 CH2 OH OH CH2=CH2 CH2=CH2 COOH COOH 逆合成分析： CHO CHO 或 C O C O OC2H5 OC2H5 再整理合成思路和路线，写出相关的反应方程式 ① ② ③ ④ ⑤ ① CH2=CH2 + H2O CH3CH2OH 催化剂 高温、高压 ②CH2=CH2 + Cl2 CH2Cl CH2Cl ③ + 2NaOH H2O △ CH2Cl CH2Cl + 2NaCl CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH ④ +2O2 COOH COOH ＋2H2O 催化剂 △ COOH COOH + 2CH3CH2OH ⑤ COOC2H5 COOC2H5 ＋2H2O 浓硫酸 △ 在实际工业生产中，乙二醇还可以通过环氧乙烷与水直接化合的方法合成，而环氧乙烷则可由乙烯直接氧化得到。请比较该方法与以上合成乙二酸二乙酯中的2、3两步反应，分析生产中选择该路线的可能原因。 路线二： 路线一： 【思考与讨论】 CH2＝CH2 催化剂、△ O2 CH2—CH2 O 加压、△ H2O CH2—CH2 OH OH ②CH2=CH2 + Cl2 CH2Cl CH2Cl ③ + 2NaOH H2O △ CH2Cl CH2Cl + 2NaCl CH2OH CH2OH Cl2有毒、有副产物生成 O2、H2O无毒无腐蚀性、原子利用率100% 3、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（原子利用率高） (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 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。 二、有机合成路线的实施 1.一元合成路线 酯 HX CH2=CH2 卤代烃 CH3CH2X NaOH水溶液 △ 一元醇 CH3CH2OH [O] 一元醛 CH3CHO [O] 一元羧酸 CH3COOH 醇、浓硫酸 △ 2.二元合成路线 X2 CH2=CH2 NaOH水溶液 △ 二元醇 HO—CH2CH2—OH [O] 二元醛 OHC—CHO [O] 二元羧酸 HOOC—COOH 浓硫酸 △ X—CH2CH2—X 卤代烃 CH2—CH2 O 链酯、环酯、聚酯 催、△ O2 H2O 加压、△ 3.芳香族化合物合成路线 CH2OH NaOH水溶液 △ CHO [O] COOH [O] 芳香酯 浓硫酸 醇、△ Cl Cl2 FeCl3 ② OH ① NaOH水溶液、 △ ② H+ CH2Cl 光照 Cl2 CH3 ① 练习2. 苯甲酸苯甲酯 是一种有水果香气的食品香料。 请以甲苯为基础原料，使用逆合成分析法设计它的合成路线。 分析: 合成路线: 练习3. 以 乙烯、丙炔，甲苯为原料设计长效缓释阿司匹林的合成路线。 HOCH2CH2OH 分析: CH2=CCOOH CH3 CH2=CCN CH3 HC≡CCH3 CH2＝CH2 CH2—CH2 O 正逆结合 长效缓释阿司匹林的合成路线 碳链的变化 中间体1 中间体2 官能团的转化 官能团的转化 分子片段的组装 分子片段的组装 图3-31 实验室进行有机合成使用的一种典型装置 球形冷凝管 温度计 恒压滴液漏斗 三颈烧瓶 实验室中进行有机合成的常用装置如图3-31所示，它能够在加热时进行搅拌、温度监测、加料和冷凝回流等实验操作。规模化的工业生产中多使用体积较大的反应釜。工业生产须在实验室研究的基础上进行小试、中试等规模放大研究，完善实验室研究所确定的反应条件，更多考虑工业化生产的设备选择、操作方法、成本控制和环境保护等因素，为正式生产提供依据。 资料卡片 $$