資源簡介

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第五節　有機合成
第2課時　有機合成路線的設計與實施
第三章　烴的衍生物
1.能利用碳骨架的構建及官能團轉化過程中的反應規律進行有機物的推斷與合成(重點)。
2.落實有機物分子結構分析的思路和方法，建立對有機反應多角度認識模型，并利用模型進一步掌握有機合成的思路和方法，能用“綠色化學”的理念指導合成路線的選擇(難點)。
[學習目標]
新課導入
多姿多彩的有機材料
19世紀20年代
德國·維勒首次人工合成有機物尿素
顛茄酮
20世
紀初
維爾施泰特通過十余步反應合成顛茄酮，總產率僅有0.75%。十幾年后，羅賓遜僅用3步反應便完成合成，總產率達90%。
20世紀中后期
伍德沃德與多位化學家合作，成功合成了奎寧、膽固醇、葉綠素、紅霉素、維生素B12等一系列結構復雜的天然產物，促進了有機合成技術和有機反應理論的發展。
后續
科里提出了系統化的逆合成概念，開始利用計算機來輔助設計合成路線。讓合成路線的設計逐步成為有嚴密思維邏輯的科學過程，使有機合成進入了新的發展階段。
有機合成的發展史
化學史實
溫故知新
有機合成
合成的任務
構建碳骨架
增長和縮短、成環等過程
官能團的引入、轉化、消除及保護
合成路線的設計
原則
成本低、產率高
環境友好、路線短
方法
正向、逆向設計合成路線
碳骨架構建
官能團轉化
有機合成路線的確定
進行合理的設計與選擇
較低的成本和較高的產率
簡便而對環境友好的操作得到目標產物
有機合成路線的設計模型
模型構建
一、正合成分析法
1.正合成分析法
簡單、易得
碳骨架和官能團等方面的異同的比較
增加一段碳鏈或連上一個官能團
基礎原料通過有機反應形成一段碳鏈或連上一個官能團，合成第一個中間體；
在此基礎上，利用中間體的官能團，加上輔助原料，進行第二步反應，合成出第二個中間體……
經過多步反應，最后得到具有特定結構和功能的目標化合物。
模型構建
一、正合成分析法
1. (1)食醋的主要成分是乙酸，主要通過發酵法由糧食制備。工業乙酸是通過石油化學工業人工合成的。請以乙烯為原料，設計合理的路線合成乙酸。
CH2=CH2
(原料)
中間體1
中間體2
CH3CH2OH
CH3CHO
CH3COOH
(目標產物)
催化劑、△
Cu、△
催化劑、△
基礎原料
中間體1
目標化合物
中間體2
2.正向合成路線的表示方法
注意　表示合成步驟時，用箭頭“→”表示每一步反應。
試劑
試劑
條件
條件
思考交流
一、正合成分析法
(2)目前已經出現了將乙烯直接氧化生成乙酸的工藝。假定該工藝涉及的反應和(1)中合成路線的每一步反應的產率均為70%，請計算并比較這兩種合成路線的總產率。
方法2乙烯直接氧化生成乙酸合成路線更優
CH2=CH2
(原料)
CH3CH2OH
CH3CHO
CH3COOH
(目標產物)
催化劑、△
Cu、△
催化劑、△
CH2=CH2
(原料)
CH3COOH
(目標產物)
催化劑、△
方法1產率= 70% × 70% × 70% =34.3%
方法2產率= 70%
>
思考交流
一、正合成分析法
2. 請用流程圖表示出最合理的合成路線。
(1)將乙醇轉化成乙二醇(改變官能團的數目)。
(2)將1-丙醇轉化成2-丙醇(改變官能團的位置)。
CH3CH2
CH2=CH2
170 ℃
△
—
CH2—CH2
Br Br
—
—
CH2—CH2
OH OH
—
CH3CH2CH2
CH3CH=CH2
△
CH3CH—CH3
Br
—
一定條件
CH3CH—CH3
OH
—
思考交流
二、逆合成分析法
以乙二酸二乙酯這種醫藥和染料工業原料的合成為例，說明有機合成路線的設計和選擇。
C
O
C
O
OC2H5
OC2H5
C
O
C
O
OH
OH
CH3CH2OH
中間體1
中間體2
中間體3
中間體4
CH2=CH2
CH2
CH2
OH
OH
CH2
CH2
Cl
Cl
CH2=CH2
①
②
③
④
⑤
優先在官能團\碳雜鍵(如C—O)處切斷
目標化合物
1.逆合成分析法
中間體1
中間體2
基礎原料
……
探究導學
二、逆合成分析法
2.逆合成分析路線的表示方法
逆合成分析步驟的表示：可以用符號“ ”表示逆推過程。
基礎原料
中間體1
目標化合物
試劑
試劑
條件
條件
……
試劑
條件
逆合成合成步驟的表示：用箭頭“→”表示每一步轉化反應。
基礎原料
中間體1
目標化合物
中間體2
試劑
試劑
條件
條件
探究導學
二、逆合成分析法
以乙二酸二乙酯這種醫藥和染料工業原料的合成為例，說明有機合成路線的設計和選擇。
①
②
③
④
⑤
相關反應：
①CH2=CH2 + H2O CH3CH2OH
催化劑
高溫、高壓
②CH2=CH2 + Cl2
CH2Cl
—
CH2Cl
③ + 2NaOH
H2O
△
CH2Cl
—
CH2Cl
+ 2NaCl
CH2OH
—
CH2OH
探究導學
CH2OH
—
CH2OH
④
+2O2
△
COOH
—
COOH
＋2H2O
COOH
—
COOH
+ 2CH3CH2OH
⑤
△
COOC2H5
—
COOC2H5
＋2H2O
二、逆合成分析法
1.在實際工業生產中，乙二醇還可以通過環氧乙烷與水直接化合的方法合成，而環氧乙烷則可由乙烯直接氧化得到。請比較該方法與以上合成乙二酸二乙酯中的2、3兩步反應，分析生產中選擇該路線的可能原因。
①
②
③
④
⑤
路線二：
路線一：
②CH2=CH2 + Cl2
CH2Cl
—
CH2Cl
③ + 2NaOH
H2O
△
CH2Cl
—
CH2Cl
+ 2NaCl
CH2OH
—
CH2OH
思考交流
路線一 路線二
原料
原子利用率
環境保護
二、逆合成分析法
Cl2、NaOH
O2、H2O，廉價易得
③為取代反應有副產物，原子利用率低。
原子利用率100%
Cl2有毒、 NaOH有腐蝕性的，對環境不夠友好
O2、H2O無毒無腐蝕性的，對環境友好
思考交流
二、逆合成分析法
3.合成路線設計應遵循的原則
(1)合成步驟較少，副反應少，反應產率高。
(2)原料、溶劑和催化劑盡可能價廉易得、低毒。
(3)反應條件溫和，操作簡便，產物易于分離提純。
(4)污染排放少，要貫徹“綠色化學”理念，選擇最佳合成路線，以較低的經濟成本和環境代價得到目標產物。
歸納小結
二、逆合成分析法
利用逆合成分析法設計有機合成路線的一般程序
觀察目標化合物的分子結構
由目標化合物逆推原料分子并設計合成路線
碳骨架特征，官能團種類和位置
碳骨架構建，官能團的引入或轉化
對不同的合成路線進行優選
以綠色合成思想為指導
思維建模
二、逆合成分析法
下列有關該合成路線的說法正確的是
A.反應①的反應條件為NaOH的水溶液、加熱
B.A分子中所有碳原子不可能共平面
C.B和C分子中均含有1個手性碳原子
D.反應③為加成反應
√
NaOH的乙醇溶液、加熱
苯分子和碳碳雙鍵均是平面形結構，通過碳碳單鍵可旋轉至共平面
*
*
鹵代烴的水解反應屬于取代反應
思考交流
二、逆合成分析法
3.以CH2=CHCH2OH為主要原料(其他無機試劑任選)設計合成CH2=CHCOOH的路線流程圖(已知CH2==CH2可被氧氣催化氧化為 )，通過此題的解答，總結設計有機合成路線需注意的情況(至少寫2條)。
CH2=CHCH2OH
CH3CHClCH2OH
催化劑、△
H+
CH3CHClCOOH
CH2=CHCOONa
CH2=CHCOOH
設計有機合成路線時要選擇合適的反應條件、并注意官能團的保護。
思考交流
三、常見有機物合成路線設計
1.一元合成路線
鹵代烴
一元醇
一元醛
一元羧酸
酯
HX
R—CH=CH2
R—CH2CH2—X
NaOH水溶液
△
R—CH2CH2—OH
[O]
R—CH2CHO
[O]
R—CH2COOH
醇、濃硫酸
△
資料卡片
三、常見有機物合成路線設計
2.二元合成路線
二元醇
二元醛
二元羧酸
鏈酯、環酯、聚酯
X2
CH=CH2
X—CH2CH2—X
NaOH水溶液
△
HO—CH2CH2—OH
[O]
OHC—CHO
[O]
HOOC—COOH
濃硫酸
△
鹵代烴
資料卡片
三、常見有機物合成路線設計
3.芳香族化合物合成路線
CH2OH
NaOH水溶液
△
CHO
[O]
COOH
[O]
芳香酯
濃硫酸
醇、△
Cl
Cl2
FeCl3
②
OH
① NaOH水溶液、 △
② H+
CH3
CH2Cl
光照
Cl2
①
資料卡片
隨著新的有機反應、新試劑的不斷發現和有機合成理論的發展，有機合成技術和效率不斷提高，利用計算機輔助設計合成路線，讓合成路線的設計逐步成為嚴密思維邏輯的科學過程。
實驗室有機合成常用的裝置：
資料卡片
工業化合成使用的反應釜
有機合成路線的基本流程
明確目標化合物的結構
設計合成路線
碳骨架構建和官能團轉化
對樣品進行結構測定試驗其性質或功能
合成目標化合物
大量合成
優化方案
科學性
可行性
安全性
簡約性
依據
課堂小結
1.(2023·昆明高二檢測)由1-氯環己烷( )制備1,2-環己二醇( )
時，需要經過下列哪幾步反應
A.加成→消去→取代 B.消去→加成→取代
C.取代→消去→加成 D.取代→加成→消去
√
自我測試
Cl
Cl
Cl
OH
OH
自我測試
2.根據下面合成路線判斷烴A為
A.1-丁烯 B.1,3-丁二烯
C.乙炔 D.乙烯
√
HOCH2CH2OH
BrCH2CH2Br
CH2=CH2
醚鍵
自我測試
3.有機合成在創新藥研發中應用十分廣泛，有機化合物F是目前最好的前列腺抗癌藥物，其合成路線如右：
已知：①取代基—CH3可表示為Me；
自我測試
(1)下列說法正確的是____(填字母)。
A.A→D的反應類型分別是取代反應、
還原反應、氧化反應
B.化合物F的分子式為C21H16N4O2F4S
C. 中有手性碳原子
D.由甲苯合成A的過程是先將甲苯氧
化為苯甲酸，然后再進行鹵代
B
均為取代反應
√
均為甲基，無手性碳原子
由已知信息③可知，甲苯 A物質
F2、Br2
Fe
酸性KMnO4溶液
自我測試
(2)寫出由甲苯合成 的路線圖，條件不用標出，無機化合物任選。
Fe
H+
本節內容結束
有機合成路線的確定，需要在掌握 構建和 轉化基本方法的基礎上，進行合理的設計與選擇，以較低的 和較高的 ，通過簡便而對環境友好的操作得到目標產物。有機合成路線的分析方法包括從原料出發來分析的 分析法及從目標化合物出發進行的 分析法。
碳骨架
官能團
成本
產率
正合成
逆合成
目標一 答案
1.正合成分析法
(1)單官能團合成
(2)雙官能團合成
醇 醛 酸
HOCH2—CH2OH
OHC—CHO
HOOC—COOH
目標一 答案
(3)芳香族化合物合成
目標一 答案
2.合成路線的表示方法
有機合成路線用反應流程圖表示。
注意　表示合成步驟時，用箭頭“→”表示每一步反應。
目標二 答案
1.逆合成分析法
表示逆合成時，常用符號“ ”表示逆推過程。
目標二 答案
2.逆合成分析法示例
由“逆合成分析法”分析由乙烯合成乙二酸二乙酯。
(1)分析如下：
根據以上逆合成分析，可以確定合成乙二酸二乙酯的有機基礎原料為乙烯(CH2==CH2)，通過5步反應進行合成，寫出反應的化學方程式：
目標二 答案
①_____________________________；
②__________________________________________；
③__________________________________________；
④____________________________________；
CH2==CH2＋Cl2―→
目標二 答案
⑤_________________________________________________________。
＋2CH3CH2OH
＋2H2O
(2)合成路線如下：
注意　上述合成路線中 也可以先氧化為OHC—CHO，再氧
化為HOOC—COOH。
目標二 答案
3.合成路線設計應遵循的原則
(1)合成步驟 ，副反應 ，反應產率 。
(2)原料、溶劑和催化劑盡可能 、 。
(3)反應條件 ，操作 ，產物易于 。
(4)污染排放 ，要貫徹“ ”理念，選擇最佳合成路線，
以 的經濟成本和環境代價得到目標產物。
較少
少
高
價廉易得
低毒
溫和
簡便
分離提純
較低
少
綠色化學
目標二 答案
4.有機合成的發展及價值
(1)發展：從生物體內提取有機物→人工設計并合成有機物→計算機輔助設計合成有機物。
(2)價值：為化學、生物、醫學、材料等領域的研究和相關工業生產提供了堅實的物質基礎，有力地促進了人類健康水平提高和社會發展進步。

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