3.5 有机合成 讲义-2025-2026学年高二下学期化学人教版选择性必修3

3.5 有机合成讲义 一、学习目标 1. 通过对教材内容的梳理，能概括有机合成中构建碳骨架、引入官能团的常用方法，会用逆合成分析法设计乙二酸二乙酯的合成路线，建立有机合成的思维模型。 2. 能举例说明常见官能团（碳碳双键、羟基、羧基等）的引入方式，解释官能团保护在有机合成中的作用。 3. 通过对官能团引入方法的讨论，体验有机合成路线设计的探究过程，尝试优化合成方案。 4. 科学态度与社会责任：了解有机合成的发展历程，认识有机合成在医药、材料等领域的价值，树立绿色合成的环保意识。 二、重难点 1. 依据目标分子与原料分子碳原子数差异选择碳链增长或缩短的方法 2. 运用取代、加成、氧化、还原等反应实现羟基、醛基、羧基等官能团的定向引入 3. 基于逆合成分析思想，从目标化合物出发切断关键化学键确定合理合成路线 三、预习任务 1. 阅读教材，理解“构建碳骨架”的含义，总结碳链增长和缩短的两种方法，并各举一个反应实例（如HCN加成、酸性KMnO₄氧化）。 2. 从官能团转化角度，整理引入碳碳双键、羟基、羧基、酯基的常见反应类型（如加成、氧化、酯化），并结合教材举例说明。 3. 理解“逆合成分析”的基本思路，观察图3-29，尝试用“⇨”符号表示从乙二酸二乙酯逆推到乙烯的过程。 4. 了解官能团保护的意义，以羟基的保护为例，说明如何通过转化为醚键实现保护，并在反应后恢复。 5. 观察实验室和工业合成装置图（图3-31、图3-32），比较两者在操作功能上的异同点。 四、课前小测 1. 通过HCN与羰基化合物加成可使碳链增长，产物水解后生成____（填官能团名称）。 2. 烯烃被酸性高锰酸钾溶液氧化，可能导致碳链____（填“增长”或“缩短”）。 3. 酯基可通过羧酸与醇的____反应引入，该反应需浓硫酸和____条件。 4. 逆合成分析常用符号“____”表示，从目标分子逐步推回简单原料。 5. 为防止羟基在反应中被破坏，可先将其转化为较稳定的____结构。 6. 乙烯与水在催化剂作用下发生____反应生成乙醇。 5、 学习内容 你知道吗？20世纪初，德国化学家维尔施泰特花了14步才合成出颠茄酮，总产率仅 ；十几年后，罗宾逊用3步就搞定，产率飙升到 ！这可不是“抄近路”，而是靠逆向思考——像解谜一样，从目标分子“倒推”回简单原料。就像拼乐高前先拆开成品，看清每一块该从哪儿来。为什么“倒着想”反而更高效？如果让你合成乙二酸二乙酯（一种染料和医药中间体），你会从乙烯出发，还是从它“断开酯键”后的片段开始设计路线？碳链怎么加长？官能团如何精准安放又不“误伤”其他基团？ 今天，就让我们一起走进有机合成的世界，去探索它的奥秘。 【一、构建碳骨架】 探究主题：有机合成中碳骨架的定向构建——增长、缩短与成环的化学逻辑 2024年，我国科学家成功利用废弃生物质（如秸秆中的纤维素）为原料，通过多步有机合成制备出高附加值的抗肿瘤药物中间体——含七元环结构的γ-丁内酯衍生物。该过程关键一步是将C₃片段（丙烯醛）精准延长为C₄链并闭环成环，全程避免使用剧毒氰化物，却实现了碳骨架的高效构建。为何“少碳变多碳”“直链变环状”成为有机合成的“分子裁缝术”？如何像搭积木一样可控地组装碳骨架？ 1.探究活动1：从“丙烯醛→环状C₄产物”看碳链增长的突破口 情境链接：承接情境中“C₃→C₄”增长需求，聚焦教材所列HCN加成路径——为何选择氰基（—CN）作为“碳原子搬运工”？ 【探究任务】 ① 观察丙烯醛（ ）结构，指出其含有的两类不饱和键； ② 对照教材图示，写出丙烯醛与HCN加成的反应式，并标出新形成的C—C键位置； ③ 分析该加成产物水解后生成何种羧酸？碳原子数如何变化？ 2.探究活动2：解码“断链”艺术——氧化如何精准缩短碳链？ 【探究任务】 ① 对比分析：甲苯（ ）、丙烯（ ）、丙炔（ ）分别与酸性 溶液反应，预测主产物结构简式； ② 归纳三类物质被氧化时，碳链断裂发生的特定位置规律； ③ 解释为何苯环本身不被氧化，而侧链被“削短”？ 3.探究活动3：从“直链到环”——成环反应的结构密码 【探究任务】 ① 分析教材未直接给出但隐含的成环案例：己二酸（ ）在加热条件下可分子内脱水成环，推测产物结构； ② 对比环己烷（ ）与己二酸成环产物的碳骨架差异，说明成环是否改变碳原子总数； ③ 思考：若用乙二醇与对苯二甲酸缩聚，得到的是环状还是链状聚合物？为什么？ 【知识建构】 碳骨架构建 ─→ 增长（引入—CN等） ↓ ↓ 缩短（氧化断裂） ←─ 成环（分子内关环） ↑ ↑ 官能团活性（羰基/不饱和键） → 反应位点选择性 【二、引入官能团】 情境创设 2023年诺贝尔化学奖授予量子点（quantum dots）的发现与合成，这类纳米尺度的半导体材料（如CdSe）其发光颜色可精准调控——而实现这种“分子级定制”的关键，正是有机配体（如巯基乙酸、油胺）在纳米颗粒表面的定向锚定与官能团精准修饰。科学家通过控制—SH、—NH₂、—COOH等官能团与金属表面的配位反应，不仅稳定了纳米结构，更赋予其水溶性、生物相容性及靶向识别能力。若某团队需将疏水性CdSe量子点改性为可用于活体成像的水溶性探针，却在氧化步骤中意外发现原有羟基（—OH）被部分破坏——他们该如何在保留—OH的同时，高效引入羧基（—COOH）？ 探究主题：如何基于官能团转化规律，实现目标官能团的“精准植入”与“选择性保护”？ 1.探究活动1：从量子点修饰失败谈起——识别官能团转化的路径多样性 情境链接：承接情境中“羟基被破坏却需保留”的矛盾，引导学生聚焦“同一碳骨架上多官能团共存时的反应选择性”问题。 【探究任务】 ① 观察教材中常见官能团（碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）的结构特征，判断哪些易受氧化剂（如KMnO₄/H⁺）攻击？ ② 对比以下两条合成路径，分析为何路径B更可能保留原有羟基： 路径A： 路径B： 【知识建构】 · 核心知识点1（官能团活性差异）：不同官能团反应活性存在梯度，如醛基（—CHO）比伯醇（—CH₂OH）更易被弱氧化剂（Ag(NH₃)₂⁺）氧化，体现“选择性氧化”的可行性。 · 支撑知识点（取代/加成/氧化反应类型）：溴加成（亲电加成）、邻二卤代物水解（亲核取代）、醛的银镜反应（氧化还原）均为官能团转化的基础反应类型。 2.探究活动2：破解“保护—转化—脱保”三步策略——理解官能团保护的化学逻辑 【探究任务】 以教材中“羟基保护为醚键”为例： ① 写出乙醇与氯甲烷在NaOH条件下生成甲乙醚的反应方程式； ② 分析该醚键为何比羟基更耐受后续氧化条件（如K₂Cr₂O₇/H₂SO₄）； ③ 设计脱保护步骤：如何将甲乙醚重新转化为乙醇？（提示：需断裂C—O键） 【知识建构】 · 核心知识点2（官能团保护原理）：保护的本质是将高活性官能团转化为低反应活性的衍生物（如—OH → —OR），其化学稳定性源于电子效应（如烷基供电子降低氧原子亲核性）和空间位阻。 · 核心知识点3（保护基的可逆性）：理想保护基需满足“引入容易、稳定可靠、脱除专一”，如甲基醚（—OMe）可用BBr₃选择性断裂，而叔丁基二甲基硅醚（TBDMS）对碱稳定但可被F⁻高效脱除。 【知识整合与提升】 官能团转化规律 ─→ 取代/加成/消去/氧化/还原反应类型 ↓ ↓ 官能团活性差异 ←─ 核心驱动力：电子效应与空间效应 ↓ 官能团保护策略 ─→ 保护基引入（如—OH→—OR） ↓ 可逆性要求 ─→ 脱保护条件专一性（如酸/碱/还原剂选择） 【三、有机合成路线的设计与实施】 情境创设 2023年，我国科学家成功利用人工合成路径高效制备抗疟药物青蒿素衍生物，将传统植物提取周期从数月缩短至72小时，产率提升至85%；而百年前，德国化学家维尔施泰特合成结构远更简单的颠茄酮需14步反应、总产率仅0.75%。为何现代有机合成能“化繁为简”？关键在于——不是盲目堆砌反应，而是用逻辑“倒推”分子的出生密码。 探究主题：如何像解谜一样设计一条高效、绿色、可实施的有机合成路线？ 1.探究活动1：从“乙二酸二乙酯”出发，发现合成的双向思维 情境链接：情境中“倒推分子出生密码”直指教材核心方法——逆合成分析；而乙二酸二乙酯案例是教材唯一完整呈现的范例，天然承载“原料→产物”正向构建与“产物→原料”逆向拆解的双重逻辑。 【探究任务】 ①观察乙二酸二乙酯结构式（ ），对比其与乙二酸、乙醇的结构异同，说明为何可由二者酯化得到？ ②若仅从乙烯出发，如何一步步“组装”出该分子？请尝试在草稿纸上写出碳骨架与官能团的变化节点。 2.探究活动2：解码“逆推”的逻辑——断键位置如何选择？ 【探究任务】 1. 教材图3-29中，逆合成箭头“⇒”指向更小分子片段。请对照乙二酸二乙酯的逆推路径，指出每一步“切断”的是什么类型化学键？依据是什么？（提示：关注官能团转化规律） 2. 若将乙二酸二乙酯的C–C单键（两羰基之间）切断，会得到什么片段？该片段能否通过已知反应便捷获得？为什么教材未选此路径？ 探究活动3：优化与抉择——为何选乙烯而非乙炔或葡萄糖作起点？ 【探究任务】 结合教材中“成本、产率、操作简便、环境友好”四大原则，分析以下三条潜在路线： ① 乙烯 → 乙醛 → 乙酸 → 乙二酸（经α-卤代再氰解？） ② 乙炔 → 乙二醛 → 乙二酸 ③ 葡萄糖发酵得草酸（乙二酸） 【知识整合与提升】 正向合成（原料→产物） ─→ 关注反应可行性与操作性 ↑ ↓ 对称性识别、碳骨架分析、官能团转化规律 ←─ 逆合成分析（产物⇒原料） ↓ ↑ 绿色高效路线评价（成本/产率/安全/环保） ←─ 合成路线优化决策 【拓展探究】 你是否想过，手机屏幕中的柔性材料或抗癌药物的关键成分，竟可能源自相同的化学合成原理？这些高科技产品背后，都离不开有机合成对碳骨架的精准构建与官能团的巧妙引入。 教材中学习的碳链增长、成环及官能团转化，不仅是课本知识，更是现代材料与医药研发的核心技术。例如，通过炔烃与HCN加成实现碳链延长，可制备高分子单体；而选择性氧化则用于降解复杂分子，实现绿色合成。 近期，科研人员利用氰基引入—水解策略，合成了新型可降解塑料前体，反应路径为： ，再经水解得 。另一案例是通过保护羟基、选择性酯化，成功构建抗肿瘤药物中的多官能团骨架。此外，最新开发的“点击化学”结合逆合成分析，实现了复杂分子的高效拼接，极大提升了合成效率。 【分层思考题】 · 基础题：举例说明一种构建碳骨架的方法及其反应类型。 · 提高题：分析羟基保护在多官能团分子合成中的必要性。 · 拓展题：设计一条以乙烯为原料合成乳酸（ ）的三步路线。 第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $