3.5有机合成课件 2026-2027学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修3

第三章 烃的衍生物第五节 有机合成 学习目标 1、熟悉烃及烃的衍生物之间的相互转化、主要的有机反应类型及其特点，能依据相关信息正确书写化学方程式。 2、认识有机合成的关键是碳骨架的构建和官能团的转化，了解设计有机合成路线的一般方法，能设计简单的有机合成路线。 3、能对给出的有机合成路线进行分析和评价，培养逻辑思维能力和信息迁移能力。 4、通过设计有机合成路线，体会有机合成在创造新物质、提高人类生活质量及促进社会发展方面的重要贡献。 从远古时代起，人类长期依靠自然界的资源生存。在实践中，人类逐渐学会了对自然资源进行加工和转化，从生物体中获得有机化合物。然而，自然资源是有限的，天然有机化合物的性能并不能满足人们的全部需要。19世纪20年代，德国化学家维勒合成了尿素，开创了人工合成有机化合物的新时代。此后，人们陆续合成了多种天然有机化合物，还合成了大量自然界并不存在的新的有机化合物，以满足生产、生活和科学研究对物质性能的特殊需要。有机合成帮助人们发现和制备了一系列药物、香料、染料、催化剂、添加剂等，有力地推动了材料科学和生命科学的发展 德国化学家 韦勒 【1800.7 - 1882.9】 尿素 氰酸铵 一、有机合成的主要任务 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 1、构建碳骨架 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 一、有机合成的主要任务 1、构建碳骨架 （1）碳链的增长 —— 引入氰基（—CN） 当原料分子中的碳原子数少于目标分子中的碳原子数时，可以通过引入含碳原子的官能团等方式使碳链增长 ① 炔烃与HCN反应 丙烯腈 CH≡CH + HCN → CH2=CHCN 催化剂 CH2=CHCN + H2O → CH2=CHCOOH + 其它物质 H+ △ 加成反应 水解反应 1、构建碳骨架 （1）碳链的增长 ② 醛与HCN反应 羟基腈 加成反应 氨基醇 还原反应 ★ 炔烃和醛中的不饱和键与HCN发生加成反应生成含有氰基（—CN）的物质，再经水解生成羧酸，或经催化加氢还原生成胺。这样，在将羧基、氨基等官能团引入碳链的同时，产物较原料分子增加了一个碳原子 —— 引入氰基（—CN） + HCN → 催化剂 + H2 → 催化剂 一、有机合成的主要任务 1、构建碳骨架 （2）碳链的缩短 —— 氧化反应等则可以使烃分子链缩短 ① 烯烃、炔烃及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或酮 + CO2 ★ 二H成CO2，一H成酸，无H成酮 【思考】乙烯被酸性高锰酸钾氧化，产物是什么？ ★ 一H成CO2，无H成酸 ★ 苯环直接相连的碳上至少有一个H 一、有机合成的主要任务 1、构建碳骨架 一、有机合成的主要任务 2、引入官能团 有选择地通过取代、加成、消去、氧化、还原等有机化学反应，可以实现有机化合物类别的转化，并引入目标官能团 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 （1）引入碳碳双键（ ） ② 消去反应： ① 炔烃的不完全加成： CH≡CH + HCl → △ 催化剂 a. 卤代烃的消去: CH3CH2Br + NaOH → 乙醇 △ CH2=CHCl CH2=CH2↑ + NaBr + H2O b. 醇的消去: CH3CH2OH → 浓硫酸 170 ℃ CH2=CH2↑ + H2O 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 （2）引入碳卤键（ 或 —X） ① 烷烃、苯及其同系物的卤代： CH4 + Cl2 → 光 + Br2 → FeBr3 + Cl2 → 光 + HCl CH3Cl + HCl + HBr↑ CH2=CHCH3 + Cl2 → 500 ～600 ℃ CH2=CHCH2Cl + HCl 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 （2）引入碳卤键（ 或 —X） ② 烯烃或炔烃与HX、X2加成： CH2=CH2 + HBr → CH3CH2Br CH≡CH + Br2 → CHBr=CHBr ③ 醇或酚的取代反应： C2H5OH + HBr → 浓硫酸 △ C2H5Br + H2O + 3Br2 → ↓ + 3HBr 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 （3）引入羟基（—OH） ① 烯烃与水加成： ② 醛或酮的还原反应： CH2=CH2 + H2O → 加热加压 催化剂 CH3CH2OH CH3—C—H + H2 → O 催化剂 △ CH3CH2OH CH3—C—CH3 + H2 → O 催化剂 △ CH3CHCH3 OH 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 （3）引入羟基（—OH） ③ 卤代烃或酯的水解反应： RCOOH + R′OH R—X + NaOH → 水 △ ROH + NaX RCOONa + R′OH RCOOR′ + H2O ⇌ △ 稀硫酸 RCOOR′ + NaOH → △ 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 （4）引入醛基（—CHO） ① 烯烃的催化氧化： ② 炔烃的加成反应： 2CH2=CH2 + O2 → △ 催化剂 2CH3CHO CH≡CH + H2O → △ 催化剂 CH3CHO ③ 醇的催化氧化： 2CH3CH2OH + O2 → Cu / Ag △ 2CH3CHO + 2H2O 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 （5）引入羧基（—COOH） ① 氧化反应 a. 烯烃的氧化： R—CH=CH2 → H+ KMnO4 RCOOH + CO2 b. 苯的同系物的氧化： → H+ KMnO4 c. 醇的氧化： CH3CH2OH → H+ KMnO4 CH3COOH d. 醛的氧化： 2CH3CHO + O2 → 催化剂 △ 2CH3COOH 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 （5）引入羧基（—COOH） ① 氧化反应 d. 醛的氧化： CH3CHO + 2[Ag(NH3)2]OH → △ CH3COONH4 + 2Ag↓ + 3NH3 + H2O CH3CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH → △ CH3COONa + Cu2O↓ + 3H2O 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 （5）引入羧基（—COOH） ② 酯或酰胺的水解反应 RCOOH + R′OH RCOOR′ + H2O ⇌ △ 稀硫酸 R—C—NH2 O + H2O + HCl → △ R—C—OH O + NH4Cl （6）引入酯基（—COOR′） 【思考与讨论】 我们在各类有机化合物化学性质的学习中，已经接触了很多有机化学反应。请你从官能团转化的角度对其进行分类整理，讨论引入常见的官能团（如碳碳双键、碳卤键、羟基、醛基、羧基、酯基）有哪些方法，并举例说明。 ① 酯化反应 R—C—OH O + HO—R′ ⇌ △ 浓硫酸 R—C—O—R′ + H2O O ★ 卤代烃（R—X）和含有羰基（ ）的有机化合物由于其官能团比较活泼，能发生多种反应，在有机合成的碳骨架构建和官能团引入过程中发挥着重要的作用 一、有机合成的主要任务 2、引入官能团 二、有机合成路线的设计与实施 有机合成路线的确定，需要在掌握碳骨架构建和官能团转化基本方法的基础上，进行合理的设计与选择，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 为了达到以上目的，可以从简单、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，再有目的地选择每一步的转化反应。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 二、有机合成路线的设计与实施 【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，并以图3 - 28的形式呈现，分析该合成过程中官能团的变化。 以乙烯为原料制备乙酸的过程如下： CH2=CH2 （原料） H2O CH3CH2OH （中间体） O2、Cu CH3CHO（中间体） H2O O2、催化剂 CH3COOH（目标产物） 二、有机合成路线的设计与实施 【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（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。 工业上将乙烯直接氧化成乙酸的反应如下： CH2=CH2 + O2 → 催化剂 CH3COOH 假定合成路线（1）和（2）中的每一步反应的产率均为70%，合成路线（1）经历三步反应，总产率应为70% × 70% × 70% = 34.3%，远低于合成路线（2）的70%。由此可见，在设计有机合成路线时，应尽量减少反应步骤 路线二： 路线一： 70% 70% 70% 二、有机合成路线的设计与实施 除了上述从原料出发来分析合成路线，还可以从目标化合物出发进行逆合成分析，这是设计复杂化合物合成路线时常用的方法。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 表示合成步骤时，使用箭头“ → ”表示每一步反应；而表示逆合成时，常用符号“ ⇒ ”来表示逆推过程，从较复杂的目标分子出发，逐步逆推“后退”，直到“简化”为简单的原料分子 二、有机合成路线的设计与实施 下面我们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 首先分析目标化合物的结构，乙二酸二乙酯的分子结构具有一定对称性，对称的碳骨架或官能团有可能在原料选择或合成反应中同时形成，有利于简化合成路线。该分子中含有两个酯基，若将酯基断开，所得片段对应的中间体是乙二酸（草酸）和乙醇，说明目标化合物可由两分子乙醇和一分子乙二酸通过酯化反应得到 二、有机合成路线的设计与实施 接下来从官能团转化的角度分析乙二酸分子的结构。根据我们学过的知识，羧酸可以由醇氧化得到，乙二酸前一步的中间体应该是乙二醇 根据以上思路继续分析，乙二醇的前一步中间体是1，2 - 二氯乙烷，后者则可以通过乙烯的加成反应得到 二、有机合成路线的设计与实施 另一个中间体乙醇可以通过乙烯与水的加成反应得到。以上分析过程可以表示为： 二、有机合成路线的设计与实施 由此确定合成乙二酸二乙酯的基础原料为乙烯，通过以下5步反应完成合成： ① ② ③ ④ ⑤ 二、有机合成路线的设计与实施 由此确定合成乙二酸二乙酯的基础原料为乙烯，通过以下5步反应完成合成： ① ② ③ ④ ⑤ CH2=CH2 + H2O → CH3CH2OH 加热加压 催化剂 CH2=CH2 + Cl2 → CH2ClCH2Cl CH2ClCH2Cl + 2NaOH → CH2OHCH2OH + 2NaCl 水 △ CH2OHCH2OH + 2O2 → + 2H2O 催化剂 △ COOH COOH COOCH2CH3 COOCH2CH3 + 2H2O COOH COOH + 2 CH3CH2OH ⇌ △ 催化剂 二、有机合成路线的设计与实施 当通过以上方法得到了几条不同的合成路线后，还需要综合多方面因素进行选择，合理规划方案。如合成步骤较少，副反应少，反应产率高；原料、溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒；反应条件温和，操作简便，产物易于分离提纯；污染排放少；等等。在进行有机合成时，要贯彻“绿色化学”理念，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 从成本、转化率和环境保护等角度分析两种合成路线。 路线一： 路线二： 【思考与讨论】 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。 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 二、有机合成路线的设计与实施 随着新的有机反应、新试剂的不断发现和有机合成理论的发展，有机合成的技术和效率不断提高。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，罗宾逊改进了合成思路，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；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 二、有机合成路线的设计与实施 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，为化学、生物、医学、材料等领域的研究和相关工业生产提供了坚实的物质基础，有力地促进了人类健康水平提高和社会发展进步 制备的维生素C 隐形眼镜材料 隐形战斗机涂层 二、有机合成路线的设计与实施 平衡气压，使液体顺利流下 提高反应物利用率 $