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第三節(jié) 有機(jī)合成設(shè)計(jì)
課時(shí)1 有機(jī)合成設(shè)計(jì)
第五章 藥物合成的重要原料
——鹵代烴、胺、酰胺
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.認(rèn)識(shí)同一分子中官能團(tuán)之間存在相互影響。
2.能基于官能團(tuán)、化學(xué)鍵的特點(diǎn)與反應(yīng)規(guī)律分析和推斷含有典型官能團(tuán)的有機(jī)化合物的化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)有關(guān)信息書(shū)寫(xiě)相應(yīng)的反應(yīng)式。
3.認(rèn)識(shí)加成、取代、消去反應(yīng)及氧化還原反應(yīng)的特點(diǎn)和規(guī)律。了解有機(jī)反應(yīng)類(lèi)型和有機(jī)化合物組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的關(guān)系。
4.認(rèn)識(shí)有機(jī)合成的關(guān)鍵是碳骨架的構(gòu)建和官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化。
5.了解設(shè)計(jì)有機(jī)合成路線(xiàn)的一般方法。
制備天然有機(jī)物，以彌補(bǔ)自然資源的不足；
對(duì)天然有機(jī)物進(jìn)行局部的結(jié)構(gòu)改造和修飾，
使其性能更加完美。
有機(jī)合成化學(xué)工業(yè)的發(fā)展
有特定性質(zhì)的、自然界并不存在的有機(jī)物，以滿(mǎn)足人類(lèi)的特殊需要。
有機(jī)合成化學(xué)工業(yè)的發(fā)展
有機(jī)合成化學(xué)工業(yè)的發(fā)展
有機(jī)合成的威力是在“老的自然界旁邊”建立起一個(gè)“新的自然界”。
有機(jī)化學(xué)家伍德沃德
概念
有機(jī)合成就是利用簡(jiǎn)單、易得的原料，通過(guò)一系列有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，生成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)化合物的過(guò)程。
任務(wù)
目標(biāo)化合物分子骨架的構(gòu)建和官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化。
有機(jī)合成化學(xué)工業(yè)的發(fā)展
一、有機(jī)物基團(tuán)間的相互影響
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：
開(kāi)始時(shí)兩試管中NaOH溶液的pH相同；
加入乙醇的試管中pH不變，而加入苯酚的試管中pH減小。
一、有機(jī)物基團(tuán)間的相互影響
微觀(guān)解釋?zhuān)?br/>苯酚分子中的苯基影響了與其相連的羥基上的氫原子，促使它比乙醇分子中羥基上的氫原子更易電離。
-OH
-O-
+ H+
苯酚空間填充模型
一、有機(jī)物基團(tuán)間的相互影響
比較苯和苯酚的溴代反應(yīng)
苯 苯酚
反應(yīng)物 __________ ____________
反應(yīng)條件 __________ _____
被取代的H數(shù) ___ ___
反應(yīng)速率 ____ ____
微觀(guān)解釋 苯、液溴
苯酚、溴水
常溫
3
快
慢
1
Fe、常溫
羥基影響了與其相連的苯基上的氫原子，使鄰、對(duì)位的氫原子更活潑，更容易被其他原子或原子團(tuán)取代。
有機(jī)化合物分子中基團(tuán)之間是相互影響和相互制約的。
一、有機(jī)物基團(tuán)間的相互影響
如乙醇在濃硫酸催化作用下，加熱到140 ℃時(shí)主要發(fā)生分子間脫水生成乙醚，而加熱到170 ℃時(shí)主要發(fā)生分子內(nèi)脫水生成乙烯。
反應(yīng)條件對(duì)有機(jī)反應(yīng)的影響
(1)烷烴、烯烴、苯與溴的反應(yīng)
烷烴與液溴在光照條件下發(fā)生取代反應(yīng)，與溴水不反應(yīng)；
烯烴與溴水、溴的四氯化碳溶液發(fā)生加成反應(yīng)，使溴水褪色；
苯與液溴在FeBr3作催化劑條件下發(fā)生取代反應(yīng)。
一、有機(jī)物基團(tuán)間的相互影響
乙醇在濃H2SO4作用下，140 ℃發(fā)生分子間脫水生成乙醚，在170 ℃發(fā)生分子內(nèi)脫水生成乙烯。。
有機(jī)反應(yīng)中常用到催化劑，選擇合適的催化劑，加快反應(yīng)速率，如乙醇氧化時(shí)選用Cu、Ag作催化劑，乙烯與H2加成時(shí)選擇Ni作催化劑，酯化反應(yīng)選擇濃H2SO4作催化劑。
反應(yīng)條件對(duì)有機(jī)反應(yīng)的影響
(2)乙醇失水的反應(yīng)
(3)催化劑對(duì)反應(yīng)的影響
一、有機(jī)物基團(tuán)間的相互影響
鹵代烴的水解選擇NaOH水溶液加熱反應(yīng)，
而消去反應(yīng)選擇NaOH醇溶液加熱反應(yīng)，其中醇作溶劑。
有機(jī)溶劑對(duì)反應(yīng)的影響
典例解析
例1 下列說(shuō)法不符合事實(shí)的是(　　)A．苯酚的水溶液呈酸性，說(shuō)明苯環(huán)對(duì)羥基有影響，使羥基變得活潑B．甲苯能使酸性KMnO4溶液褪色，說(shuō)明苯環(huán)活化了甲基C．苯酚和溴水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，說(shuō)明苯環(huán)對(duì)酚羥基產(chǎn)生影響D．甲苯和濃硝酸、濃硫酸發(fā)生反應(yīng)生成2，4，6-三硝基甲苯，說(shuō)明甲基活化了苯環(huán)的鄰、對(duì)位的氫原子
C
二、重要有機(jī)物之間的相互轉(zhuǎn)化
烴的衍生物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系
二、重要有機(jī)物之間的相互轉(zhuǎn)化
在一定條件下官能團(tuán)發(fā)生的變化。
實(shí)質(zhì)
備解熱鎮(zhèn)痛藥“撲熱息痛”（對(duì)乙酰氨基酚）合成過(guò)程
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
有機(jī)合成的任務(wù)
目標(biāo)化合物分子碳骨架的構(gòu)建
官能團(tuán)的引入和轉(zhuǎn)化
C=C
R-OH
R-X
R-C-H
R-C-OH
O
O
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
有機(jī)合成的關(guān)鍵是通過(guò)有機(jī)反應(yīng)構(gòu)建目標(biāo)化合物的分子骨架，并引入或轉(zhuǎn)化所需要的官能團(tuán)。
1、官能團(tuán)的引入
①引入碳碳雙鍵
鹵代烴的消去：
CH3CH2 OH
濃硫酸
170℃
CH2=CH2↑
+H2O
醇
△
CH2=CH2↑+ NaBr+ H2O
CH3CH2Br +NaOH
醇的消去：
-C C-部分加成：
CH≡CH + HBr CH2=CHBr
催化劑
△
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
②引入 鹵素原子：
烷烴/苯/苯的同系物鹵代
不飽和烴與HX或X2加成
醇與HX取代
-C=C-
H-C-C-X
HX/催化劑
△
-C=C-
X-C-C-X
X2
濃HX
-C-X
-C-OH
X2
光照
-C-X
-C-H
（特定情況下）
產(chǎn)物有多種，不常用
FeX3
X
甲苯、丙烯等分子的甲基上引入鹵原子
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
③引入 羥基 –OH ：
烯烴 與H2O加成
鹵代烴 水解
酯 水解
醛/酮與H2加成
CH2＝CH2＋H2O CH3CH2OH
催化劑
加熱加壓
C2H5Br＋NaOH
C2H5OH＋NaBr
水
△
CH3CHO＋H2 CH3CH2OH
催化劑
Δ
稀H2SO4
CH3COOH＋C2H5OH
CH3COOC2H5＋H2O
△
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
醇的催化氧化
⑤引入 羧基 –COOH ：
醛的氧化
酯的水解
苯的同系物的氧化
④ 引入 醛基 –CHO 或 – C – ：
O
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
　　 ①消除C＝C、C≡C或苯環(huán)：加成反應(yīng)。
　　 ②消除羥基(－OH)：消去反應(yīng)、催化氧化、酯化反應(yīng)。
　　 ③消除醛基(－CHO)：加成反應(yīng)、催化氧化。
　　 ④消除鹵原子(－X)：消去反應(yīng)、水解反應(yīng)。
2、官能團(tuán)的消除
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
3、有機(jī)合成中常見(jiàn)官能團(tuán)的保護(hù)
(1)(酚)羥基的保護(hù)：因(酚)羥基易被氧化，所以在氧化其他基團(tuán)前可以先使其與NaOH溶液反應(yīng)，把—OH變?yōu)椤狾Na(或使其與ICH3反應(yīng)，把—OH變?yōu)椤狾CH3)將其保護(hù)起來(lái)，待氧化后再酸化將其轉(zhuǎn)變?yōu)椤狾H。
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
(2)碳碳雙鍵的保護(hù)：碳碳雙鍵也容易被氧化，在氧化其他基團(tuán)前可以利用其與HCl等的加成反應(yīng)將其保護(hù)起來(lái)，待氧化后再利用消去反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樘继茧p鍵。
(3)氨基(—NH2)的保護(hù)：如在對(duì)硝基甲苯合成(――→)對(duì)氨基苯甲酸的過(guò)程中應(yīng)先把—CH3氧化成—COOH之后，再把—NO2還原為—NH2。防止當(dāng)KMnO4氧化—CH3時(shí)，—NH2(具有還原性)也被氧化。
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
有機(jī)合成遵循的原則
盡量選擇步驟最少的合成路線(xiàn)——以保證較高的產(chǎn)率。
起始原料要廉價(jià)、易得、低毒、低污染——通常采用4個(gè)C以下的單官能團(tuán)化合物和單取代苯。
滿(mǎn)足“綠色化學(xué)”的要求。
操作簡(jiǎn)單、條件溫和、能耗低、易實(shí)現(xiàn)。
尊重客觀(guān)事實(shí)，按一定順序反應(yīng)。
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
有機(jī)合成過(guò)程示意圖
1、正合成分析法
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
例:以 為基礎(chǔ)原料，無(wú)機(jī)原料可以任選，合成
濃硫酸/△
NaOH溶液
△
Cl2 光照
CH3
C-
O-CH2
=
O
C-
O-CH2
=
O
CH3
CH2Cl
CH2OH
CHO
COOH
催化劑
△
催化劑
△

三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
2、逆合成分析法
采用逆向思維方法，從目標(biāo)化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)入手，找出合成所需要的直接或間接的中間原料，逐步推向已知原料，其思維程序：
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
伊萊亞斯 ● 詹姆斯 ● 科里
Elias James Corey
1967年提出了“逆合成分析原理”，將有機(jī)合成路線(xiàn)設(shè)計(jì)技巧藝術(shù)的變成了有嚴(yán)格思維邏輯的科學(xué)。他所提出的有機(jī)合成理論及方法，促進(jìn)了有機(jī)合成化學(xué)的飛速發(fā)展，獲得了1990年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
2 C2H5OH
C——OC2H5
C——OC2H5
O
O
C—— OH
C—— OH
O
O
+
如：以乙烯為原料合成草酸二乙酯
草酸二乙酯分子中含有兩個(gè)酯基，按照酯化反應(yīng)的規(guī)律，我們將酯基斷開(kāi)，可以得到草酸和兩分子的乙醇。說(shuō)明目標(biāo)化合物可由兩分子的乙醇和一分子草酸通過(guò)酯化反應(yīng)得到。
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
CH2—OH
CH2—OH
根據(jù)學(xué)過(guò)的知識(shí)，羧酸可以由醇氧化得到，草酸的前一步的中間體應(yīng)該是乙二醇。
C—— OH
C—— OH
O
O
乙二醇的前一步中間體是1,2-二氯乙烷，1,2-二氯乙烷則可以通過(guò)乙烯的加成反應(yīng)得到。
CH2—OH
CH2—OH
CH2—Cl
CH2—Cl
CH2
CH2
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
以乙烯為原料合成草酸二乙酯路線(xiàn)：
H2O
催化劑
Cl2
NaOH,H2O
△
C2H5OH
CH2—Cl
CH2—Cl
CH2—OH
CH2—OH
O2,Cu
△
CHO
CHO
O2
COOH
COOH
濃硫酸
△
三、有機(jī)合成的一般過(guò)程
根據(jù)有機(jī)反應(yīng)的特點(diǎn)，每一步反應(yīng)一般產(chǎn)率都不是百分之百，在有機(jī)合成的多步反應(yīng)過(guò)程中，每一步反應(yīng)都有各自的產(chǎn)率，不同步驟的產(chǎn)率都會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的最終產(chǎn)率帶來(lái)影響。
H2C=C—COOH
CH3
A
B
C
93.0%
81.7%
85.6%
90.0%
總產(chǎn)率= 93.0%×81.7%×90.0%×85.6%=58.54%
多步合成產(chǎn)率的計(jì)算方法：
①
②
③
④
產(chǎn)物N
多步遞進(jìn)反應(yīng)的總產(chǎn)率，等于每一步反應(yīng)產(chǎn)率的乘積。
典例解析
例2 請(qǐng)用合成反應(yīng)流程圖表示出由有機(jī)物 和其他無(wú)機(jī)物合成
最合理的方案(不超過(guò)4步)。
合成路線(xiàn)為：
課堂小結(jié)
有機(jī)物基團(tuán)間的相互影響
有機(jī)合成的一般過(guò)程
不良反應(yīng)
基團(tuán)間的相互影響
反應(yīng)條件對(duì)有機(jī)反應(yīng)的影響
有機(jī)溶劑對(duì)反應(yīng)的影響
官能團(tuán)的引入、消除和保護(hù)
正合成分析法
逆合成分析法
重要有機(jī)物之間的相互轉(zhuǎn)化
隨堂練習(xí)
隨堂練習(xí)
隨堂練習(xí)
謝謝觀(guān)看
THANKS

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