3.5 有机合成【基础必牢】化学人教版选择性必修3

3.5 有机合成 一、有机合成 1．有机合成的概念 有机合成指利用相对简单、易得的原料，通过有机化学反应来构建 和引入 ，由此合成出具有特定 和 的目标分子的过程方法 2．有机合成的任务和过程 3．有机合成的原则 （1）尽量选择 的合成路线，使得反应过程中副反应少、产率高 （2）原料、溶剂和催化剂尽可能廉价易得、低毒、低污染 （3）符合“绿色化学”的要求，操作简单、条件温和、能耗低、易实现、原料利用率高、污染少，尽量实现零排放 （4）按照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。在引入官能团的过程中，要注意先后顺序，以及对先引入的官能团的保护 二、有机合成中的碳骨架的构建和官能团的引入 1．构建碳骨架：有机合成使用相对 的原料，通过有机化学反应来构建 和引入 ，由此合成出具有特定 和 的目标分子。碳骨架是有机化合物分子的结构基础，进行有机合成时需要考虑碳骨架的形成，包括碳链的 和 、 等过程。 （1）碳链的增长 ①炔烃与HCN加成反应 ②醛、酮与HCN加成反应 ③羟醛缩合反应：醛分子中在醛基邻位碳原子上的氢原子(α­H)受羰基吸电子作用的影响，具有一定的活性。分子内含有α­H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 ④卤代烃与NaCN的反应 CH3CH2Cl＋NaCNCH3CH2CN(丙腈)＋NaCl ⑤卤代烃与炔钠的反应 2CH3C≡CH＋2Na2CH3C≡CNa＋H2 CH3C≡CNa＋CH3CH2ClCH3C≡CCH2CH3＋NaCl ⑥醛、酮与格氏试剂反应 (R1、R2为烃基或氢原子) ⑦苯环与卤代烃反应(傅克反应) ⑧苯环与酰卤反应 ⑨卤代烃和钠反应 2R—Cl＋2NaR—R+2NaCl ⑩乙炔自身加成 2CH≡CHCH2==CH—C≡CH （2）碳链的缩短 ①烯烃与酸性高锰酸钾溶液反应 ②炔烃与酸性高锰酸钾溶液反应 ③芳香烃的侧链被酸性高锰酸钾溶液氧化 ④脱羧反应 ⑤烃的裂化或裂解反应 C16H34C8H18＋C8H16；C8H18C4H10＋C4H8 ⑥水解反应：主要包括酯的水解、蛋白质的水解和多糖的水解 （3）碳链成环 ①第尔斯­阿尔德反应：共轭二烯烃(含有两个碳碳双键，且两个双键被一个单键隔开的烯烃，如1,3­丁二烯)与含碳碳双键(三键)的化合物在一定条件下发生第尔斯­阿尔德反应(Diels­Alder reaction)，得到环加成产物，构建了环状碳骨架 ；； ②羟基酸酸的酯化成环(以“乳酸”为例) 两分子乳酸酯化成环状 一分子乳酸酯化成环状 ③多元羧酸与多元醇的酯化成环 ④氨基酸的成环 两分子氨基酸成环 一分子氨基酸成环 ⑤形成环醚 2．引入官能团：引入官能团的反应类型常见的有取代、加成、消去、氧化还原等 （1）引入碳碳双键的反应有 ①醇的消去反应：CH3CH2OHCH2===CH2↑＋H2O ②卤代烃的消去反应：CH3CH2Br＋NaOHCH2===CH2↑＋NaBr＋H2O ③炔烃与H2、HX、X2的不完全加成反应：HC≡CH＋H2CH2==CH2 HC≡CH＋Br2CHBr==CHBr HC≡CH＋HClCH2==CHCl （2）引入卤素原子的反应有 ①烷烃、苯及其同系物与卤素单质发生 反应 CH3CH3＋Cl2HCl＋CH3CH2Cl (还有其他的卤代烃) ②不饱和烃(烯烃、炔烃)与卤素单质、卤化氢的加成反应 CH2==CHCH3＋Br2CH2BrCHBrCH3 CH2==CHCH3＋HClCH3CHClCH3(主要)或CH3CH2CH2Cl(次要) HC≡CH＋HClCH2==CHCl ③醇的取代反应：R—OH＋HXR—X＋H2O （3）引入—OH生成醇的反应有 ①烯烃与水的加成反应：CH2==CH2＋H2OCH3CH2OH ②卤代烃的水解反应：R—X＋NaOHR—OH＋NaX ③醛或酮的还原反应 ， （4）引入醛基(或羰基)的反应有 ①醇的催化氧化：2RCH2OH＋O22RCHO＋2H2O （5）引入羧基的反应有 ①醛被氧化成酸：2CH3CHO＋O22CH3COOH ②醇被强氧化剂氧化：CH3CH2OHCH3COOH＋H2O ③含侧链的芳香烃被强氧化剂氧化： ④酯在酸性条件下水解： 3．官能团的保护：含有多个官能团的有机物在进行反应时，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。如—OH保护过程： （1）酚羟基的保护：因酚羟基易被 ，易被氧气、臭氧、双氧水、酸性高锰酸钾溶液氧化 ①用NaOH溶液先转化为酚钠，后酸化重新转化为酚： ②用碘甲烷先转化为苯甲醚，后用氢碘酸酸化重新转化为酚： （2）碳碳双键的保护：易与卤素单质加成，易被氧气、臭氧、双氧水、酸性高锰酸钾溶液氧化 用氯化氢先通过加成转化为氯代物，后用NaOH醇溶液通过消去重新转化为碳碳双键 （3）氨基(—NH2)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 三、有机合成的设计方法 1．从原料出发设计合成路线的方法步骤 基础原料通过有机反应形成一段碳链或连上一个官能团，合成第一个 ；在此基础上，利用中间体的官能团，加上辅助原料，进行第二步反应，合成出第二个 ……经过多步反应，最后得到具有特定结构和功能的目标化合物。 示例：以乙烯为原料合成乙酸 合成路线一 合成路线二 2．从目标化合物出发逆合成分析法的基本思路 （1）基本思路 在目标化合物的适当位置断开相应的 ，目的是使得到的较小片段所对应的 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 ，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。可以用符号“”表示逆推过程，用箭头“→”表示每一步转化反应 （2）逆合成分析法设计有机合成路线的思维程序 ①观察目标分子结构，即目标分子的碳架特征，以及官能团的种类和位置 ②由目标分子逆推原料分子，并设计合成路线，即目标分子碳架的构建，以及官能团引入和转化 ③依据绿色合成的思想，对不同的合成路径进行优选 （3）逆向合成分析法应用例析：利用“逆合成分析法”分析由乙烯合成草酸二乙酯的过程 ①逆合成分析思路 ②具体拆分步骤如下 ③写出正向合成路线图 四、有机合成路线的设计 1．常见有机物的转化关系 若以乙醇为原料合成乙二酸(HOOC—COOH)，则依次发生反应的类型是 2．有机合成路线设计思路 3．常见的有机合成路线 （1）一元化合物合成路线 CH2==CH2CH3CH2XCH3CH2OHCH3CHOCH3COOH酯 （2）二元化合物合成路线 CH2==CH2CH2XCH2XHOH2CCH2OHOHCCHOHOOCCOOH 链酯、环酯、聚酯 （3）芳香化合物合成路线 ① ② 4．解决有机合成题的基本步骤 第一步：要正确判断合成的有机物属于何种有机物，它带有什么官能团，它和哪些知识、信息有关，它所在的位置的特点等 第二步：根据现有原料、信息和有关反应规律，尽可能合理地把目标有机物解剖成若干片段，或寻找官能团的引入、转换、保护方法，或设法将各片段(小分子化合物)拼接衍变，尽快找出合成目标有机物的关键和突破点。 第三步：将正向思维和逆向思维、纵向思维和横向思维相结合，选择出最佳合成方案 五、有机合成的发展史 （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%。十几年后，罗宾逊仅用3步反应便完成合成，总产率达90% （2）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 （3）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 总之，有机合成的发展，使人们不仅能通过人工手段合成原本只能从生物体内分离、提取的天然产物，还可以根据实际需要设计合成具有特定结构和性能的新物质 学科网（北京）股份有限公司 $ 3.5 有机合成 一、有机合成 1．有机合成的概念 有机合成指利用相对简单、易得的原料，通过有机化学反应来构建碳骨架和引入官能团，由此合成出具有特定结构和性质的目标分子的过程方法 2．有机合成的任务和过程 3．有机合成的原则 （1）尽量选择步骤最少的合成路线，使得反应过程中副反应少、产率高 （2）原料、溶剂和催化剂尽可能廉价易得、低毒、低污染 （3）符合“绿色化学”的要求，操作简单、条件温和、能耗低、易实现、原料利用率高、污染少，尽量实现零排放 （4）按照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。在引入官能团的过程中，要注意先后顺序，以及对先引入的官能团的保护 二、有机合成中的碳骨架的构建和官能团的引入 1．构建碳骨架：有机合成使用相对简单易得的原料，通过有机化学反应来构建碳骨架和引入官能团，由此合成出具有特定结构和性质的目标分子。碳骨架是有机化合物分子的结构基础，进行有机合成时需要考虑碳骨架的形成，包括碳链的增长和缩短、成环等过程。 （1）碳链的增长 ①炔烃与HCN加成反应 ②醛、酮与HCN加成反应 ③羟醛缩合反应：醛分子中在醛基邻位碳原子上的氢原子(αH)受羰基吸电子作用的影响，具有一定的活性。分子内含有αH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 ④卤代烃与NaCN的反应 CH3CH2Cl＋NaCNCH3CH2CN(丙腈)＋NaCl ⑤卤代烃与炔钠的反应 2CH3C≡CH＋2Na2CH3C≡CNa＋H2 CH3C≡CNa＋CH3CH2ClCH3C≡CCH2CH3＋NaCl ⑥醛、酮与格氏试剂反应 (R1、R2为烃基或氢原子) ⑦苯环与卤代烃反应(傅克反应) ⑧苯环与酰卤反应 ⑨卤代烃和钠反应 2R—Cl＋2NaR—R+2NaCl ⑩乙炔自身加成 2CH≡CHCH2==CH—C≡CH （2）碳链的缩短 ①烯烃与酸性高锰酸钾溶液反应 ②炔烃与酸性高锰酸钾溶液反应 ③芳香烃的侧链被酸性高锰酸钾溶液氧化 ④脱羧反应 ⑤烃的裂化或裂解反应 C16H34C8H18＋C8H16；C8H18C4H10＋C4H8 ⑥水解反应：主要包括酯的水解、蛋白质的水解和多糖的水解 （3）碳链成环 ①第尔斯阿尔德反应：共轭二烯烃(含有两个碳碳双键，且两个双键被一个单键隔开的烯烃，如1,3丁二烯)与含碳碳双键(三键)的化合物在一定条件下发生第尔斯阿尔德反应(DielsAlder reaction)，得到环加成产物，构建了环状碳骨架 ；； ②羟基酸酸的酯化成环(以“乳酸”为例) 两分子乳酸酯化成环状 一分子乳酸酯化成环状 ③多元羧酸与多元醇的酯化成环 ④氨基酸的成环 两分子氨基酸成环 一分子氨基酸成环 ⑤形成环醚 2．引入官能团：引入官能团的反应类型常见的有取代、加成、消去、氧化还原等 （1）引入碳碳双键的反应有 ①醇的消去反应：CH3CH2OHCH2===CH2↑＋H2O ②卤代烃的消去反应：CH3CH2Br＋NaOHCH2===CH2↑＋NaBr＋H2O ③炔烃与H2、HX、X2的不完全加成反应：HC≡CH＋H2CH2==CH2 HC≡CH＋Br2CHBr==CHBr HC≡CH＋HClCH2==CHCl （2）引入卤素原子的反应有 ①烷烃、苯及其同系物与卤素单质发生取代反应 CH3CH3＋Cl2HCl＋CH3CH2Cl (还有其他的卤代烃) ②不饱和烃(烯烃、炔烃)与卤素单质、卤化氢的加成反应 CH2==CHCH3＋Br2CH2BrCHBrCH3 CH2==CHCH3＋HClCH3CHClCH3(主要)或CH3CH2CH2Cl(次要) HC≡CH＋HClCH2==CHCl ③醇的取代反应：R—OH＋HXR—X＋H2O （3）引入—OH生成醇的反应有 ①烯烃与水的加成反应：CH2==CH2＋H2OCH3CH2OH ②卤代烃的水解反应：R—X＋NaOHR—OH＋NaX ③醛或酮的还原反应 ， （4）引入醛基(或羰基)的反应有 ①醇的催化氧化：2RCH2OH＋O22RCHO＋2H2O （5）引入羧基的反应有 ①醛被氧化成酸：2CH3CHO＋O22CH3COOH ②醇被强氧化剂氧化：CH3CH2OHCH3COOH＋H2O ③含侧链的芳香烃被强氧化剂氧化： ④酯在酸性条件下水解： 3．官能团的保护：含有多个官能团的有机物在进行反应时，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。如—OH保护过程： （1）酚羟基的保护：因酚羟基易被氧化，易被氧气、臭氧、双氧水、酸性高锰酸钾溶液氧化 ①用NaOH溶液先转化为酚钠，后酸化重新转化为酚： ②用碘甲烷先转化为苯甲醚，后用氢碘酸酸化重新转化为酚： （2）碳碳双键的保护：易与卤素单质加成，易被氧气、臭氧、双氧水、酸性高锰酸钾溶液氧化 用氯化氢先通过加成转化为氯代物，后用NaOH醇溶液通过消去重新转化为碳碳双键 （3）氨基(—NH2)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 三、有机合成的设计方法 1．从原料出发设计合成路线的方法步骤 基础原料通过有机反应形成一段碳链或连上一个官能团，合成第一个中间体；在此基础上，利用中间体的官能团，加上辅助原料，进行第二步反应，合成出第二个中间体……经过多步反应，最后得到具有特定结构和功能的目标化合物。 示例：以乙烯为原料合成乙酸 合成路线一 合成路线二 2．从目标化合物出发逆合成分析法的基本思路 （1）基本思路 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。可以用符号“”表示逆推过程，用箭头“→”表示每一步转化反应 （2）逆合成分析法设计有机合成路线的思维程序 ①观察目标分子结构，即目标分子的碳架特征，以及官能团的种类和位置 ②由目标分子逆推原料分子，并设计合成路线，即目标分子碳架的构建，以及官能团引入和转化 ③依据绿色合成的思想，对不同的合成路径进行优选 （3）逆向合成分析法应用例析：利用“逆合成分析法”分析由乙烯合成草酸二乙酯的过程 ①逆合成分析思路 ②具体拆分步骤如下 ③写出正向合成路线图 四、有机合成路线的设计 1．常见有机物的转化关系 若以乙醇为原料合成乙二酸(HOOC—COOH)，则依次发生反应的类型是消去反应、加成反应、水解(或取代)反应、氧化反应、氧化反应 2．有机合成路线设计思路 3．常见的有机合成路线 （1）一元化合物合成路线 CH2==CH2CH3CH2XCH3CH2OHCH3CHOCH3COOH酯 （2）二元化合物合成路线 CH2==CH2CH2XCH2XHOH2CCH2OHOHCCHOHOOCCOOH 链酯、环酯、聚酯 （3）芳香化合物合成路线 ① ② 4．解决有机合成题的基本步骤 第一步：要正确判断合成的有机物属于何种有机物，它带有什么官能团，它和哪些知识、信息有关，它所在的位置的特点等 第二步：根据现有原料、信息和有关反应规律，尽可能合理地把目标有机物解剖成若干片段，或寻找官能团的引入、转换、保护方法，或设法将各片段(小分子化合物)拼接衍变，尽快找出合成目标有机物的关键和突破点。 第三步：将正向思维和逆向思维、纵向思维和横向思维相结合，选择出最佳合成方案 五、有机合成的发展史 （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%。十几年后，罗宾逊仅用3步反应便完成合成，总产率达90% （2）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 （3）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 总之，有机合成的发展，使人们不仅能通过人工手段合成原本只能从生物体内分离、提取的天然产物，还可以根据实际需要设计合成具有特定结构和性能的新物质 学科网（北京）股份有限公司 $