有机合成的思路

第四节有机合成授课人：董啸第四节有机合成世界上每年合成的近百万个新化合物中约70%以上是有机化合物。一座年产8万吨的合成橡胶厂相当于145万亩橡胶园的年产量。一座年产万吨的合成纤维厂相当于30万亩棉田或250万头绵羊的棉毛产量。合成纤维合成橡胶一、有机合成的过程1、有机合成定义：利用简单、易得的原料，通过有机化学反应，合成具有特定结构和功能的有机化合物的过程叫做有机合成。有机合成的基础：有机化学反应2、有机合成的任务：①目标化合物分子骨架构建；②官能团的转化。关键：碳骨架的构建3、有机合成的原则和思路1）起始原料要廉价、易得、低毒、低污染；2）步骤最少的合成路线；3）操作简单、条件温和、能耗低、易实现；4）满足“绿色化学”的要求。有机合成的思路：有机合成的思路是通过有机反应构建目标分子的骨架，并引入或转化所需的官能团。4、有机合成过程：【分析】有机合成的过程如同建筑师建造一座大厦，按照顺序从处理地基开始一层一层向上盖，直到封顶。然后，再进行内部粉刷和装饰，最后交给用户。【归纳】有机合成的过程：利用基础原料和必要的辅料合成中间体，然后利用中间体和必要的辅料合成第二个中间体，……，经过多步反应得到符合要求的碳原子数目和官能团的目标化合物。有机合成过程示意图基础原料辅助原料副产物副产物中间体中间体辅助原料辅助原料目标化合物①有机合成过程示意图②有机合成常用装置：64页图3-22【思考与交流】请用具体的化学方程式表明有机物发生以下的变化：①引入双键（三种）；②引入卤素原子（三种）；③引入羟基（四种）；④引入羧基；⑤增加碳原子；⑥成环的方法；⑦通过某种途径使一个官能团变为两个：a.卤素原子；b.羟基。5、有机合成的方法有机合成常用的反应：①引入双键的方法：卤代烃的消去反应、醇的消去反应、炔烃的加成反应。②引入卤素原子的方法：烷烃与卤素单质的取代反应、苯的同系物与卤素单质的取代反应、醇与卤化氢取代反应、烯烃与卤素单质或卤化氢的加成反应、炔烃与卤素单质或卤化氢的加成反应。③引入羟基的方法：烯烃与水加成反应、醛与氢气加成反应、卤代烃水解反应、酯水解反应。④增加碳原子：酯化反应、取代反应、加聚反应⑤成环的方法：酯化反应、消去反应、加成反应⑥使一个卤素原子变为两个的方法：先消去反应，再与卤素单质加成反应。⑦使一个羟基变为两个的方法：先消去反应，再与卤素单质加成反应，然后再水解反应。1、有机合成的常规方法（1）官能团的引入①引入双键（C=C或C=O）1）某些醇的消去引入C=CCH3CH2OH浓硫酸170℃CH2==CH2↑+H2O醇△CH2=CH2↑+NaBr+H2OCH3CH2Br+NaOH2）卤代烃的消去引入C=C3）炔烃加成引入C=C4）醇的氧化引入C=O②引入卤原子（—X）1）烃与X2取代CH4+Cl2CH3Cl+HCl光照2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O催化剂△CH≡CH+HBrCH2=CHBr催化剂△3）醇与HX取代CH2==CH2+Br2CH2BrCH2Br2）不饱和烃与HX或X2加成③引入羟基（—OH）1）烯烃与水的加成CH2==CH2+H2OCH3CH2OH催化剂加热加压2）醛（酮）与氢气加成CH3CHO+H2CH3CH2OH催化剂ΔC2H5OH+HBrC2H5Br+H2O△3）卤代烃的水解（碱性）C2H5Br+NaOHC2H5OH+NaBr水△4）酯的水解稀H2SO4CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O△（2）官能团的消除①通过加成消除不饱和键②通过消去或氧化或酯化或取代等消除羟基③通过加成或氧化消除醛基④通过消去反应或水解反应可消除卤原子（3）官能团的衍变【思考与交流】烃和烃的衍生物中：能发生取代反应有；能发生加成反应有；能发生消去反应有；能发生聚合反应有。主要有机物之间转化关系图还原水解酯化酯羧酸醛醇卤代烃氧化氧化水解烯烷炔a.官能团种类变化：CH3CH2-Br水解CH3CH2-OH氧化CH3-CHOb.官能团数目变化：CH3CH2-Br消去CH2=CH2加Br2CH2Br－CH2Brc.官能团位置变化：CH3CH2CH2-Br消去CH3CH=CH2加HBrCH3CH-CH3Br2官能团的转化：包括官能团种类变化、数目变化、位置变化等。氧化CH3-COOH酯化CH3-COOCH3引入的-ＣHＯ的方法有：醇的氧化和C=C的氧化引入-ＣＯＯＨ的方法有：醛的氧化和酯的水解有机物成环的方法有：加成法、酯化法和“消去”法课本P67习题1：利用2-丁烯制取所需物质。1)2-氯丁烷2)2-丁醇3)2,3-二氯丁烷4)2,3-丁二醇催化剂CH3CH=CHCH3+HClCH3CHCH2CH3Cl催化剂CH3CH=CHCH3+H2OCH3CHCH2CH3OHCH3CH=CHCH3+Cl2CH3CHCHCH3ClClCH3CH=CHCH3+Cl2CH3CHCHCH3ClClCH3CHCHCH3+2NaOHClCl水CH3CHCHCH3+2NaClOHOH5)1,3-丁二烯CH3CH=CHCH3+Cl2CH3CHCHCH3ClClCH3CHCHCH3+2NaOHClCl醇CH2=CHCH=CH2+2NaCl1)2-氯丁烷习题参考答案2)2-丁醇3)2,3-二氯丁烷一定条件一定条件5)1,3-丁二烯4)2,3-丁二醇1、正向合成分析法正向思维方法，从已知原料入手，找出合成所需要的直接或间接的中间产物，逐步推向目标合成有机物。基础原料中间体中间体目标化合物正向合成分析法示意图二、有机合成分析方法逆合成分析法：【分析】正向合成分析法是从已知的原料入手，找出合成所需要的真接或间接的中间体，逐步推向合成的目标有机物，而逆向合成分析法是在设计复杂化合物的合成路线时常用的方法。逆向合成分析法是将目标化合物倒退一步寻找上一步反应的中间体，该中间体同辅助原料反应可以得到目标化合物，而这个中间体，又可以由上一步的中间体得到，依次类推，最后确定最适宜的基础原料和最终的合成路线。由于根据反应原理可能有多种合成路线，所以应对多种路线优化，选择最佳方案。2、逆向合成分析法逆向合成分析法是将目标化合物倒退一步寻找上一步反应的中间体，该中间体同辅助原料反应可以得到目标化合物。基础原料中间体中间体目标化合物逆向合成分析法示意图【资料卡片】阅读65页，了解美国化学家科里对有机合成的贡献。【归纳】逆向合成分析法是将目标化合物倒退一步寻找上一步反应的中间体，而这个中间体，又可以由再上一步的中间体得到，依次类推，最后确定最适宜的基础原料和最终的合成路线。逆合成分析示意图：例如：乙二酸(草酸)二乙酯的合成基础原料中间体目标化合物中间体C—OHC—OHOOH2C—OHH2C—OHH2C—ClH2C—ClCH2CH2C—OC2H5C—OC2H5OO石油裂解气+CH3CH2OH1+H2O2+Cl234[O]水解3、最佳方案要求：①原料廉价易得，低毒少污染；②条件温和，产率高，副反应较少。【学与问】请同学们计算66页中血管紧张素拟制剂的制取路线中的总产率。三、有机合成题的做法1、解题思路：（1）分析题目要求：分析要合成的物质的结构特征，结合题给信息，选择基础原料。（2）寻找合成路线：通过分析（正向、逆向思维）确定合成路线：合成路线由哪些基本反应完成，目标分子中官能团引入方法。（3）写出化学方程：理顺关系，确定合成路线后，从基础原料开始，逐步写出化学反应的方程式。【归纳总结】解题思路：分析题目要求，寻找合成路线，写出化学方程。合成目标审题新旧知识分析突破设计合成路线确定方法推断过程和方向思维求异，解法求优结构简式准确表达反应类型化学方程式有机合成的思维结构小贴士1、利用反应条件判断反应类型光照：饱和碳原子上的氢原子取代反应，通常是链烃或芳香烃侧链上发生的取代反应。Ni,H2：不饱和碳原子与氢气的加成反应。Fe3+催化剂：苯环上的取代反应。NaOH溶液、加热：卤代烃水解或酯水解。NaOH醇溶液、加热：卤代烃消去反应。Cu或Ag、O2：醇的氧化反应。浓硫酸、加热：酯化反应、醇消去反应、分子间脱水反应等产生水的反应。2、几种特殊反应的要求：①卤素单质与某些有机物，发生取代反应时，要求卤素单质必须是纯物质，和碳碳双键发生加成反应时，卤素单质可以是溶液。②卤代烃或醇发生消去反应时，官能团所在碳原子的相邻碳原子上必须有氢原子。③加成反应：加成反应发生在不饱和碳原子上。④醇氧化反应：醇氧化反应的实质是在羟基和碳原子上各去掉一个氢原子，所以羟基所在碳原子上必须有氢原子，-CH2OH氧化生成醛，-CHOH氧化生成酮，其它醇不能氧化。⑤醛的氧化反应：醛和银氨溶液或新制的氢氧化铜的氧化反应必须在碱性环境下反应。2、典型例题：【探究活动】1、以合成（草酸二乙酯）为例，说明逆推法在有机合成中的应用。请同学们总结合成草酸二乙酯的方法，并写出各步反应的化学方程式。⑴分析草酸二乙酯，官能团有；⑵反推，酯是由酸和醇合成的，则反应物为和；⑶反推，酸是由醇氧化成醛，醛再氧化酸来的，则可推出醇为；⑷反推，此醇A与乙醇的不同之处在于。此醇羟基的引入可用B；⑸反推，乙醇的引入可用，或；⑹由乙烯可用制得B。2C2H5OHC—OC2H5C—OC2H5OOC—OHC—OHOO+草酸二乙酯的合成H2C—OHH2C—OHH2C—ClH2C—ClCH2CH2C—HC—HOO2、请写出以乙烯和2-丁烯为原料制取乙二酸丁二酯的合成路线，及各步的化学方程式。练习：用2-丁烯、乙烯为原料设计的合成路线认目标巧切断再切断……得原料得路线OOOONaOHC2H5OHOOOO1、逆合成分析：COHCOHOO+CHCHOOCH2CH2OHOHCH2CH2BrBrCH2CH2NaOH水2、合成路线：CH2CH2Br2CH2CH2BrBrCH2CH2OHOHO2CuCHCHOOO2COHCOHOO浓H2SO4OHOHBrBrBrBrBr2BrBrBr2BrBrNaOH水OHOHOOOO3.已知R-C=OR'+HCNR'R-C-CNOHRCNH+RCOOH试写出下图中A→F各物质的结构简式HBrANaOHH2OB[O]CHCNDH2OH+E浓H2SO4FC14H20O4BrOHOCNOHOHCOOHCOOOCOHBrH2ONaOHC[O]BHCNDH+H2OEH2SO4浓F解：,4、已知：ClCH2CH=CH2℃500Cl2CH3CH=CH2COOHCH3COOHCH3CH3CH=CH2Cl2500℃CH2CH=CH2ClCH2=C-CH=CH2CH3CH3CH2ClCH2OHCH3NaOHH2OH2CH3CH2OH[O]CH2=CH-CH=CH2+CH2=CH2以异戊二烯(CH2=CCH=CH2)、丙烯为原料合成CH3（1）二烯烃与Cl2的加成（2）卤代烃在NaOH水溶液中的取代反应（3）烯烃与HCl的加成反应（4）醇在浓硫酸存在下的消去反应合成路线:适量Cl2NaOH水HCl浓H2SO4△1.已知下列两个有机反应RCl+NaCN→RCN+NaClRCN+2H2O+HCl→RCOOH+NH4Cl现以乙烯为惟一有机原料（无机试剂及催化剂可任选），经过6步化学反应，合成二丙酸乙二醇酯（CH3CH2COOCH2CH2OOCCH2CH3），设计正确的合成路线，写出相应的化学方程式。2、从丙烯合成硝化甘油(三硝酸甘油酯)可采用下列四步反应,写出①、②、③、④各步反应的化学方程式,并分别注明其反应类型:①;②;③;④。3、R—CNRCOOH，R—Cl+CN-R—CN+Cl-（R为烃基）。是重要的化工原料，它在一定条件下可发生以下变化：H2O(H+)（1）写出A、B、D的结构简式：A，B，D。（2）写出下列化学方程式：③；④。（3）若E为环状化合物，则其结构简式。【学以致用——解决问题】问题一阅读课本，以乙二酸二乙酯为例，说明逆推法在有机合成中的应用。分析：C—O—C2H5C—O—C2H5OOHO—HO—HHCH2—OHCH2—OHCH