資源簡介

(共28張PPT)
3.5.2 有機(jī)合成路線的設(shè)計(jì)與實(shí)施
核心素養(yǎng)目標(biāo)
宏觀辨識(shí)與微觀探析
讓學(xué)生理解有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，認(rèn)識(shí)到反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)方向和限度的影響，能夠在合成路線設(shè)計(jì)中靈活運(yùn)用化學(xué)平衡原理，選擇合適的反應(yīng)條件以提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率。
證據(jù)推理與模型認(rèn)知
學(xué)生能夠依據(jù)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，對(duì)給定目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)分析，利用所學(xué)反應(yīng)類型和斷鍵成鍵知識(shí)，構(gòu)建有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本模型，提升邏輯推理能力。例如，面對(duì)一種含有特定官能團(tuán)的目標(biāo)分子，能通過分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，快速判斷可選用的起始原料及可能的反應(yīng)步驟。
科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任
引導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計(jì)有機(jī)合成路線時(shí)，關(guān)注反應(yīng)條件的溫和性、原料的綠色環(huán)保性以及原子經(jīng)濟(jì)性等因素，樹立綠色化學(xué)理念，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，使其認(rèn)識(shí)到化學(xué)科學(xué)對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要意義。
學(xué)習(xí)重難點(diǎn)
重點(diǎn)
掌握逆合成分析法的基本思路和方法，能夠運(yùn)用該方法對(duì)常見有機(jī)化合物進(jìn)行合成路線的設(shè)計(jì)。
熟悉常見有機(jī)反應(yīng)類型（如加成反應(yīng)、取代反應(yīng)、消去反應(yīng)等）在有機(jī)合成路線中的應(yīng)用，以及不同官能團(tuán)之間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律，能夠準(zhǔn)確選擇合適的反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分子的構(gòu)建。
了解有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本原則，包括原料廉價(jià)易得、反應(yīng)步驟簡潔、產(chǎn)率高、綠色環(huán)保等，并能在實(shí)際設(shè)計(jì)中加以考慮和運(yùn)用。
難點(diǎn)
針對(duì)復(fù)雜有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，綜合運(yùn)用各種知識(shí)和方法，設(shè)計(jì)出合理且高效的有機(jī)合成路線。這需要學(xué)生具備較強(qiáng)的知識(shí)整合能力和創(chuàng)新思維能力，能夠靈活應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜情況。
在有機(jī)合成路線的實(shí)施過程中，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化和控制，以提高反應(yīng)的成功率和產(chǎn)率。
課前導(dǎo)入
科學(xué)家們?yōu)榱撕铣稍撍幬铮绾尉脑O(shè)計(jì)有機(jī)合成路線，經(jīng)過無數(shù)次嘗試和改進(jìn)才最終成功。
假如你是一名藥物研發(fā)人員，要合成這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物，你會(huì)從哪里入手？如何設(shè)計(jì)一條可行的合成路線？
了解有機(jī)合成的過程
PART 01
1.有機(jī)合成過程
有機(jī)合成路線的確定，需要在掌握碳骨架構(gòu)建和官能團(tuán)轉(zhuǎn)化基本方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與選擇，以較低的成本和較高的產(chǎn)率，通過簡便而對(duì)環(huán)境友好的操作得到目標(biāo)產(chǎn)物。
為了達(dá)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(tuán)等方面的異同，再有目的地選擇每一步的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。基礎(chǔ)原料通過有機(jī)反應(yīng)形成一段碳鏈或連上一個(gè)官能團(tuán)，加上輔助原料，進(jìn)行第二步反應(yīng)，合成出第二個(gè)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。
2.有機(jī)合成的分析方法
基礎(chǔ)原料
輔助原料
中間體
中間體
目標(biāo)化合物
輔助原料
輔助原料
副產(chǎn)物
副產(chǎn)物
【問】人們最初是通過發(fā)酵法由糧食制備乙酸，現(xiàn)在食醋仍主要是以這種方法生產(chǎn)，工業(yè)上大量使用的乙酸是通過石油化學(xué)工業(yè)人工合成的。請(qǐng)以乙烯為原料，設(shè)計(jì)合理的路線合成乙酸，并分析該合成過程中官能團(tuán)的變化。
2.有機(jī)合成的分析方法
（1）正常分析法
合成路線 ①
CH2=CH2
CH3CH2OH
CH3CHO
CH3COOH
CH3COOC2H5
加成
氧化
氧化
酯化
合成路線 ②
加成
酯化
CH2=CH2
CH3CH2Br
CH3CH2OH
CH3CHO
CH3COOC2H5
CH3COOH
水解
氧化
氧化
2.有機(jī)合成的分析方法
根據(jù)合成路線寫出相關(guān)化學(xué)方程式，并比較兩種合成路線的優(yōu)劣。
合成路線 ①
CH2=CH2 + H2O
催化劑
加熱加壓
CH3CH2OH
2CH3CH2OH + O2 2CH3CHO + 2H2O
催化劑
Δ
2CH3CHO + O2 2CH3COOH
催化劑
Δ
CH3COOH＋C2H5OH CH3COOC2H5＋H2O
稀硫酸
△
2.有機(jī)合成的分析方法
合成路線 ②
CH2=CH2 + HBr
催化劑
加熱加壓
CH3CH2Br
CH3CH2Br + NaOH CH3CH2OH + NaBr
水
Δ
2CH3CH2OH + O2 2CH3CHO + 2H2O
催化劑
Δ
2CH3CHO + O2 2CH3COOH
催化劑
Δ
CH3COOH＋C2H5OH CH3COOC2H5＋H2O
稀硫酸
△
根據(jù)合成路線寫出相關(guān)化學(xué)方程式，并比較兩種合成路線的優(yōu)劣。
2.有機(jī)合成的分析方法
兩種合成路線相比，合成路線②比合成路線①多一步反應(yīng)；合成路線②中使用了有毒的Br2和具有強(qiáng)堿性的NaOH，不符合環(huán)境保護(hù)的要求。綜上所述，兩種合成路線相比，合成路線①更符合工業(yè)要求。
【資料】目前已經(jīng)出現(xiàn)了將乙烯直接氧化生成乙酸的工藝。其過程如下所示：
CH2=CH2 + O2
催化劑
CH3COOH
2.有機(jī)合成的分析方法
2.有機(jī)合成的分析方法
假定該工藝涉及的反應(yīng)和問題2中合成路線①的每一步反應(yīng)的產(chǎn)率均為70%，請(qǐng)計(jì)算并比較這兩種合成路線合成乙酸的總產(chǎn)率。你能得到什么結(jié)論。
問題2中合成路線 ① 的產(chǎn)率
70% × 70%× 70% = 34.3%
乙烯直接生成乙酸的產(chǎn)率：70%
在設(shè)計(jì)合成有機(jī)合成路線時(shí)，應(yīng)盡量減少反應(yīng)步驟。
2.有機(jī)合成的分析方法
（2）逆合成分析
①逆合成分析的基本思路
觀察目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)
在目標(biāo)化合物的適當(dāng)位置斷開相應(yīng)的化學(xué)鍵，得到較小片段所對(duì)應(yīng)的中間體，中間體經(jīng)過反應(yīng)能轉(zhuǎn)化為目標(biāo)化合物。
繼續(xù)斷開中間體適當(dāng)位置化學(xué)鍵，使其可從更上一步中間體反應(yīng)的得到。
基礎(chǔ)原料
2.有機(jī)合成的分析方法
②逆合成分析舉例——乙二酸二乙酯是一種重要的醫(yī)藥和染料的工業(yè)原料，現(xiàn)在以乙二酸二乙酯合成路線的設(shè)計(jì)來說明逆合成分析法。
1）從目標(biāo)產(chǎn)物入手，將兩個(gè)酯基斷開，得到一分子乙二酸和兩分子乙醇
C－OH
C－OH
－
=
O
O
=
CH3CH2OH
中間體1：乙二酸
2.有機(jī)合成的分析方法
②逆合成分析舉例——乙二酸二乙酯是一種重要的醫(yī)藥和染料的工業(yè)原料，現(xiàn)在以乙二酸二乙酯合成路線的設(shè)計(jì)來說明逆合成分析法。
2）從官能團(tuán)角度分析中間體1：乙二酸。乙二酸可由乙二醇氧化而得到
C－OH
C－OH
－
=
O
O
=
CH2－OH
CH2－OH
－
中間體2：乙二醇
3）從官能團(tuán)角度分析中間體2：乙二醇。乙二醇可由1，2-二氯乙烷水解得到。
CH2－OH
CH2－OH
－
CH2－Cl
CH2－Cl
－
中間體3：1，2-二氯乙烷
2.有機(jī)合成的分析方法
②逆合成分析舉例——乙二酸二乙酯是一種重要的醫(yī)藥和染料的工業(yè)原料，現(xiàn)在以乙二酸二乙酯合成路線的設(shè)計(jì)來說明逆合成分析法。
4）從官能團(tuán)角度分析中間體3：1，2-二氯乙烷。1，2-二氯乙烷可由乙烯加成得到。
CH2－Cl
CH2－Cl
－
CH2
CH2
=
基礎(chǔ)原料：乙烯
2.有機(jī)合成的分析方法
綜上所述：由逆合成分析法得到的乙二酸二乙酯的合成路線可表示為：
C－OH
C－OH
－
=
O
O
=
CH2－OH
CH2－OH
－
CH2－Cl
CH2－Cl
－
CH2
CH2
=
CH3CH2OH
CH2
CH2
=
目標(biāo)化合物
中間體1
中間體2
中間體3
基礎(chǔ)原料
表示合成步驟時(shí)，使用箭頭“→”表示每一步反應(yīng)。而表示逆合成時(shí)。常用符號(hào)“ ”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。
2.有機(jī)合成的分析方法
上述乙二酸二乙酯的合成路線中每步的化學(xué)反應(yīng)方程式。
①CH2=CH2 + H2O
催化劑
加熱加壓
CH3CH2OH
2.有機(jī)合成的分析方法
在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，乙二醇還可以通過環(huán)氧乙烷與水直接化合的方法合成，而環(huán)氧乙烷則可由乙烯直接氧化得到。請(qǐng)比較該方法與以上合成乙二酸二乙酯中的2、3兩步反應(yīng)，分析生產(chǎn)中選擇該路線的可能原因。
路線一：
①CH2=CH2 + H2O
催化劑
加熱加壓
CH3CH2OH
路線二：
CH2=CH2
O2
催化劑 Δ
CH2－CH2
－
－
O
水
加壓
CH2－OH
CH2－OH
－
2.有機(jī)合成的分析方法
對(duì)比兩種合成路線：首先，從原料成本的角度考慮，路線一使用了Cl2和NaOH,而路線二使用了O2和H2O，成本更低；其次，從原子利用率的角度考慮，路線一第二步的取代反應(yīng)有副產(chǎn)物，原子利用率低，而路線二的原子利用率較高；最后，從環(huán)境保護(hù)的角度考慮，路線一使用了有毒的Cl2和有腐蝕性的NaOH，對(duì)環(huán)境不夠友好。綜合考慮以上因素，路線二更為合理。
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(jìn)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(jià)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(jìn)行有機(jī)合成時(shí)，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(jì)成本和環(huán)境代價(jià)得到目標(biāo)產(chǎn)物。
3.有機(jī)合成的發(fā)展歷史
（1）20世紀(jì)初：維爾施泰特通過十余步反應(yīng)合成顛茄酮，產(chǎn)率0.75%。
（2）十幾年后：羅賓遜改進(jìn)合成思路，3步反應(yīng)完成合成，產(chǎn)率90%。
（3）20世紀(jì)中后期：伍德沃德及其團(tuán)隊(duì)合作，成功合成奎寧、膽固醇、葉綠素、紅霉素、維生素B12，等一系列復(fù)雜的天然產(chǎn)物。
（4）科里：提出了系統(tǒng)化的逆合成概念，開始利用計(jì)算機(jī)輔助合成路線。
有機(jī)合成的發(fā)展，為化學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的研究和相關(guān)工業(yè)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，有力地促進(jìn)了人類健康水平提高和社會(huì)發(fā)展進(jìn)步。
隨堂訓(xùn)練
1. 在一次有機(jī)化學(xué)課堂小組討論中，某同學(xué)設(shè)計(jì)了下列合成路線，你認(rèn)為不可行的是（ ）
A.用氯苯合成環(huán)己烯：
B.用甲苯合成苯甲醇：
D
隨堂訓(xùn)練
2.化合物G是一種藥物合成中間體，其合成路線如下：
參考上述合成路線，設(shè)計(jì)由甲苯和乙酰乙酸乙酯 (CH3COCH2COOC2H5)制備的合成路線(無機(jī)試劑任選)。
隨堂訓(xùn)練
【解析】
隨堂訓(xùn)練
3.功能高分子P的合成路線如下：
已知：
2CH3CHO
CH3CHCH2CHO
OH
OH-
以乙烯為起始原料，選用必要的無機(jī)試劑合成E，寫出合成路線（用結(jié)構(gòu)簡式表示有機(jī)物，用箭頭表示轉(zhuǎn)化關(guān)系，箭頭上注明試劑和反應(yīng)條件）。
隨堂訓(xùn)練
【解析】
隨堂訓(xùn)練
【解析】
已知：
，
2CH3CHO
CH3CHCH2CHO
OH
OH-
？
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