2024-2025學(xué)年高二化學(xué)選擇性必修3人教版課件 3.5 有機合成

第三章烴的衍生物第五節(jié)有機合成從遠古時代起，人類長期依靠自然界的資源生存。在實踐中，人類逐漸學(xué)會了對自然資源進行加工和轉(zhuǎn)化，從生物體中獲得有機化合物。然而，自然資源是有限的，天然有機化合物的性能并不能滿足人們的全部需要。19世紀(jì)20年代，德國化學(xué)家維勒合成了尿素，開創(chuàng)了人工合成有機化合物的新時代。此后，人們陸續(xù)合成了多種天然有機化合物，還合成了大量自然界并不存在的新的有機化合物，以滿足生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究對物質(zhì)性能的特殊需要。有機合成幫助人們發(fā)現(xiàn)和制備了一系列藥物、香料、染料、催化劑、添加劑等，有力地推動了材料科學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展。一、有機合成的主要任務(wù)有機合成使用相對簡單易得的原料，通過有機化學(xué)反應(yīng)來構(gòu)建碳骨架和引入官能團，由此合成出具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的目標(biāo)分子。1.構(gòu)建碳骨架碳骨架是有機化合物分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，進行有機合成時需要考慮碳骨架的形成，包括碳鏈的增長和縮短、成環(huán)等過程。當(dāng)原料分子中的碳原子數(shù)少于目標(biāo)分子中的碳原子數(shù)時，可以通過引入含碳原子的官能團等方式使碳鏈增長。例如，炔烴和醛中的不飽和鍵與HCN發(fā)生加成反應(yīng)生成含有氰基（—CN）的物質(zhì)，再經(jīng)水解生成羧酸，或經(jīng)催化加氫還原生成胺。這樣，在將羧基、氨基等官能團引入碳鏈的同時，產(chǎn)物較原料分子增加了一個碳原子。而氧化反應(yīng)等則可以使烴分子鏈縮短。例如，烯烴、炔烴及芳香烴的側(cè)鏈被酸性高錳酸鉀溶液氧化，生成碳鏈縮短的羧酸或酮。2.引入官能團有選擇地通過取代、加成、消去、氧化、還原等有機化學(xué)反應(yīng)，可以實現(xiàn)有機化合物類別的轉(zhuǎn)化，并引入目標(biāo)官能團。鹵代烴和含有羰基的有機化合物由于其官能團比較活潑，能發(fā)生多種反應(yīng)，在有機合成的碳骨架構(gòu)建和官能團引入過程中發(fā)揮著重要的作用。二、有機合成路線的設(shè)計與實施有機合成路線的確定，需要在掌握碳骨架構(gòu)建和官能團轉(zhuǎn)化基本方法的基礎(chǔ)上，進行合理的設(shè)計與選擇，以較低的成本和較高的產(chǎn)率，通過簡便而對環(huán)境友好的操作得到目標(biāo)產(chǎn)物。為了達到以上目的，可以從簡單、易得的原料出發(fā)，比較原料分子和產(chǎn)物分子在碳骨架和官能團等方面的異同，再有目的地選擇每一步的轉(zhuǎn)化反應(yīng)?；A(chǔ)原料通過有機反應(yīng)形成一段碳鏈或連上一個官能團，合成第一個中間體；在此基礎(chǔ)上，利用中間體的官能團，加上輔助原料，進行第二步反應(yīng)，合成出第二個中間體......經(jīng)過多步反應(yīng)，最后得到具有特定結(jié)構(gòu)和功能的目標(biāo)化合物（如圖3-28）。除了上述從原料出發(fā)來分析合成路線，還可以從目標(biāo)化合物出發(fā)進行逆合成分析，這是設(shè)計復(fù)雜化合物合成路線時常用的方法。它的基本思路是在目標(biāo)化合物的適當(dāng)位置斷開相應(yīng)的化學(xué)鍵，目的是使得到的較小片段所對應(yīng)的中間體經(jīng)過反應(yīng)可以得到目標(biāo)化合物；接下來繼續(xù)斷開中間體適當(dāng)位置的化學(xué)鍵，使其可以從更上一步的中間體反應(yīng)得來；依次倒推，最后確定最適宜的基礎(chǔ)原料和合成路線。表示合成步驟時，使用箭頭“→”表示每一步反應(yīng)；而表示逆合成時，常用符號“”來表示逆推過程，從較復(fù)雜的目標(biāo)分子出發(fā)，逐步逆推“后退”，直到“簡化”為簡單的原料分子（如圖3-29）。下面我們以乙二酸二乙酯這種醫(yī)藥和染料工業(yè)原料的合成為例，說明有機合成路線的設(shè)計和選擇。首先分析目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)，乙二酸二乙酯的分子結(jié)構(gòu)具有一定對稱性，對稱的碳骨架或官能團有可能在原料選擇或合成反應(yīng)中同時形成，有利于簡化合成路線。該分子中含有兩個酯基，若將酯基斷開，所得片段對應(yīng)的中間體是乙二酸（草酸）和乙醇，說明目標(biāo)化合物可由兩分子乙醇和一分子乙二酸通過酯化反應(yīng)得到。接下來從官能團轉(zhuǎn)化的角度分析乙二酸分子的結(jié)構(gòu)。根據(jù)我們學(xué)過的知識，羧酸可以由醇氧化得到，乙二酸前一步的中間體應(yīng)該是乙二醇。根據(jù)以上思路繼續(xù)分析，乙二醇的前一步中間體是1,2-二氯乙烷，后者則可以通過乙烯的加成反應(yīng)得到。另一個中間體乙醇可以通過乙烯與水的加成反應(yīng)得到。

以上分析過程可以表示為：由此確定合成乙二酸二乙酯的基礎(chǔ)原料為乙烯，通過以下5步反應(yīng)完成合成：當(dāng)通過以上方法得到了幾條不同的合成路線后，還需要綜合多方面因素進行選擇，合理規(guī)劃方案。如合成步驟較少，副反應(yīng)少，反應(yīng)產(chǎn)率高；原料、溶劑和催化劑盡可能價廉易得、低毒；反應(yīng)條件溫和，操作簡便，產(chǎn)物易于分離提純；污染排放少；等等。在進行有機合成時，要貫徹“綠色化學(xué)”理念，選擇最佳合成路線，以較低的經(jīng)濟成本和環(huán)境代價得到目標(biāo)產(chǎn)物。隨著新的有機反應(yīng)、新試劑的不斷發(fā)現(xiàn)和有機合成理論的發(fā)展，有機合成的技術(shù)和效率不斷提高。20世紀(jì)初，維爾施泰特①通過十余步反應(yīng)合成顛茄酮，總產(chǎn)率僅有0.75%。十幾年后，羅賓遜②改進了合成思路，僅用3步反應(yīng)便完成合成，總產(chǎn)率達90%。20世紀(jì)中后期，伍德沃德③與多位化學(xué)家合作，成功合成了奎寧、膽固醇、葉綠素、紅霉素、維生素B12

等一系列結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然產(chǎn)物，促進了有機合成技術(shù)和有機反應(yīng)理論的發(fā)展；科里④提出了系統(tǒng)化的逆合成概念，開始利用計算機來輔助設(shè)計合成路線，讓合成路線的設(shè)計逐步成為有嚴密思維邏輯的科學(xué)過程，使有機合成進入了新的發(fā)展階段。有機合成的發(fā)展，使人們不僅能通過人工手段合成原本只能從生物體內(nèi)分離、提取的天然產(chǎn)物，還可以根據(jù)實際需要設(shè)計合成具有特定結(jié)構(gòu)和性能的新物質(zhì)，為化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、材料等領(lǐng)域的研究和相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)，有力地促進了人類健康水平提高和社會發(fā)展進步。當(dāng)堂練習(xí)1．已知：烯烴在一定條件下能與水發(fā)生加成反應(yīng)生成醇。有機物A～D之間存在如圖所示的轉(zhuǎn)化關(guān)系。下列說法不正確的是(

)A．D的結(jié)構(gòu)簡式為CH3COOCH2CH3B．A能使酸性高錳酸鉀溶液褪色C．B與乙酸發(fā)生了取代反應(yīng)D．可用B萃取碘水中的碘單質(zhì)D2．已知酸性：

，綜合考慮反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和原料成本等因素，將

轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

的方法有(

)A．與稀H2SO4

共熱后，加入足量的NaHCO3

溶液B．與稀H2SO4

共熱后，加入足量的Na2CO3

溶液C．與足量的NaOH溶液共熱后，再加入適量H2SO4D．與足量的NaOH溶液共熱后，再通入足量CO2D3．食品香精菠蘿酯的生產(chǎn)路線(反應(yīng)條件略去)如下：下列敘述錯誤的是(

)A．步驟(1)產(chǎn)物中殘留的苯酚可用FeCl3溶液檢驗B．苯酚和菠蘿酯均可與酸性KMnO4溶液發(fā)生反應(yīng)C．步驟(2)產(chǎn)物中殘留的丙烯醇可用溴水檢驗D．苯氧乙酸和菠蘿酯均可與NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)C4．以為基本原料合成

，下列合成路線最合理的是

(

)D5、對氨基苯甲酸可用甲苯為原料合成，已知苯環(huán)上的硝基可被還原為氨基，

，產(chǎn)物苯胺還原性強，易被氧化，則由甲苯合成對氨基苯甲酸的步驟合理的是(

)A．甲苯XY

對氨基苯甲酸B．甲苯

X

Y

對氨基苯甲酸C．甲苯

X

Y

對氨基苯甲酸D．甲苯

X

Y

對氨基苯甲酸Fe，HCl，H2硝化氧化甲基還原硝基氧化甲基硝化還原硝基還原氧化甲基硝化硝化氧化甲基還原硝基A6．乙酰水楊酸，又名鄰乙酰氧基苯甲酸，是阿司匹林的主要成分，為白色晶體或粉末，略有酸味，易溶于乙醇等有機溶劑，微溶于水，是常用的解熱鎮(zhèn)痛藥。下面是某化學(xué)小組利用逆推法設(shè)計乙酰水楊酸合成路線的過程。(1)查閱資料：通過查閱資料得知，以水楊酸為原料合成乙酰水楊酸的反應(yīng)為由苯酚制備水楊酸的途徑：(2)實際合成路線的設(shè)計：①觀察目標(biāo)分子——乙酰水楊酸的結(jié)構(gòu)乙酰水楊酸分子中有2種典型的官能團，即__________、________(填名稱)。②由目標(biāo)分子逆推原料分子并設(shè)計合成路線首先，考慮酯基的引入：由水楊酸與乙酸酐反應(yīng)引入酯基，然后分別考慮水楊酸和乙酸酐的合成路線。其中，乙酸酐的合成路線為______________________________________________________________。羧基酯基CH2=