3.5.3 有机合成路线设计与实施 课件 3.5.1 有机合成——碳骨架的构建 课件 .pptx

1、第五节第五节 有机合成有机合成第三课时有机合成路线的设计与实施第三章第三章 烃的衍生物烃的衍生物有有机机合合成成发发展展史史1 9 世 纪 2 0 年 代德国化学家维勒合成了尿素，开创了人工合成有机物的新时代2 0 世 纪 初德国化学家维尔施泰特通过十余步反应合成颠茄酮，总产率仅有0.75%。十几年后罗宾逊仅用3步反应便完成合成，总产率达90%20世纪中后期美国化学家伍德沃德与多位化学家合作，成功合成了奎宁、胆固醇、叶绿素、红霉素、维生素B12等一系列结构复杂的天然产物，促进了有机合成技术和有机反应理论的发展美国化学家科里提出了系统化的逆合成概念，开始利用计算机来辅助设计合成路线让合成路线的设

2、计逐步成为有严密思维逻辑的科学过程，使有机合成进入了新的发展阶段。一、有机合成路线设计的原则成本低：成本低：原料原料、溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒；、溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒；产率高：产率高：合成合成步骤较少，副反应少，反应产率高；步骤较少，副反应少，反应产率高；反应条件温和，操作简便，产物易于分离提纯；反应条件温和，操作简便，产物易于分离提纯；要要贯彻贯彻“绿色化学绿色化学”理念，选择最佳合成路线，污染排放少，理念，选择最佳合成路线，污染排放少，以较低的经济成本和环境代价得到目标产物。以较低的经济成本和环境代价得到目标产物。价值：价值：为为化学、生物、医学、材料等领域的研究和相关

3、工业生产提供了化学、生物、医学、材料等领域的研究和相关工业生产提供了坚实的物质基础，有力地促进了人类健康水平提高和社会发展坚实的物质基础，有力地促进了人类健康水平提高和社会发展进步。进步。二、有机合成常用装置球形冷凝管球形冷凝管温度计温度计恒压滴液漏斗恒压滴液漏斗三颈烧瓶三颈烧瓶三、三、有机有机合成合成路线路线的设计的设计方法方法碳骨架构建碳骨架构建官能团转化官能团转化有机合成路有机合成路线的确定线的确定进行合理的设计与选择进行合理的设计与选择较低的成本和较高的产率较低的成本和较高的产率简便而对环境友好的操作简便而对环境友好的操作得到目标产物。得到目标产物。1、正向、正向合成分析法合成分析法此

4、法采用正向思维方法，从此法采用正向思维方法，从已知原料已知原料入手，找出合成所需要的直接或间入手，找出合成所需要的直接或间接的接的中间产物中间产物，逐步推向，逐步推向目标化合物目标化合物。碳骨架和官能团碳骨架和官能团等方面的异同的比较等方面的异同的比较基础原料基础原料辅助原料辅助原料副产物副产物副产物副产物中间体中间体中间体中间体辅助原料辅助原料辅助原料辅助原料目标化合物目标化合物（1）人们最初是通过发酵法由粮食制备乙酸，现在食醋仍主要以这种方）人们最初是通过发酵法由粮食制备乙酸，现在食醋仍主要以这种方式生产，工业上大量使用的乙酸是通过石油化学工业人工合成的。请以乙式生产，工业上大量使用的乙酸

5、是通过石油化学工业人工合成的。请以乙烯为原料，设计合理的路线合成乙酸，分析该合成过程中官能团的变化烯为原料，设计合理的路线合成乙酸，分析该合成过程中官能团的变化。【思考与讨论】CH2=CH2中间体中间体H2OCH3CH2OHCH3CHO辅助辅助原料原料Cu辅助辅助原料原料H2O、催化剂、催化剂CH3COOH基础原料基础原料中间体中间体目标化合物目标化合物辅助辅助原料原料O2、催化剂、催化剂官能团的变化官能团的变化碳碳碳双键碳双键羟基羟基醛基醛基羧基羧基（2）目前已经出现了将乙烯直接氧化生成乙酸的工艺。假定该工艺涉及）目前已经出现了将乙烯直接氧化生成乙酸的工艺。假定该工艺涉及的反应和（的反应和（

6、1）中合成路线的每一步反应的产率均为）中合成路线的每一步反应的产率均为70%，请计算并比较，请计算并比较这两种合成路线的总产率。这两种合成路线的总产率。（1）中合成路线生成）中合成路线生成CH3COOH的产率为的产率为70%70%70%34.3%，低于乙烯直接氧化成乙酸的产率（低于乙烯直接氧化成乙酸的产率（70%），因此，合成步骤应尽可能少，），因此，合成步骤应尽可能少，以提高产率。以提高产率。CH2=CH2CH3CH2OHCH3CHOCH3COOH70%70%70%CH2=CH2+O2CH3COOH催化剂催化剂70%课堂练习课堂练习1：请请设计合理方案用设计合理方案用 合成合成(无机试剂任选

7、，用反应流程图表示，并注明反应条件无机试剂任选，用反应流程图表示，并注明反应条件)。提示：提示：RCH=CH2 RCH2-CH2-Br HBr(2)(2)逆合成逆合成分析分析法法:逆合成分析法示意图逆合成分析法示意图基础原料基础原料中间体中间体1目标目标化合物化合物中间体中间体2(又称又称逆推法逆推法)其特点：从其特点：从产物产物出发，出发，由后向前推由后向前推，先找出，先找出产物的产物的前一步原料前一步原料(中间体中间体)，并同样找出它的，并同样找出它的前一步原料前一步原料，如此继续直至到达如此继续直至到达简单的初始原料简单的初始原料为止。为止。二、有机合成二、有机合成路线的设计与实施路线的

8、设计与实施确定最适宜的确定最适宜的基础原料基础原料和和合成路线合成路线1.1.有机有机合成的设计方法合成的设计方法典例：典例：以乙二酸二乙酯这种医药和染料工业原料的合成为例以乙二酸二乙酯这种医药和染料工业原料的合成为例，说明有机，说明有机合成路线的设计和选择。合成路线的设计和选择。COCOOC2H5OC2H5COCOOHOHCH3CH2OHCH2CH2ClClCH2CH2OHOHCH2=CH2CH2=CH2逆逆合成分析合成分析合成路线设计：合成路线设计：H2O催化剂催化剂,加压加压NaOH/水水Cl2催化剂催化剂催化剂催化剂确定确定乙二酸二乙酯乙二酸二乙酯的基础原料为乙烯，通过以下的基础原料为

9、乙烯，通过以下5步反应完成合成：步反应完成合成：CH2=CH2 +H2O催化剂催化剂，加压加压CH3CH2OH1.CH2=CH2 +Cl2CH2CH2ClCl2.CH2CH2ClCl +2NaOHH2O CH2CH2OHOH +2NaCl3.CH2CH2OHOH +2O2催化剂催化剂 HOOC-COOH +2H2O4.HOOC-COOH+2CH3CH2 OH +2H2O催化剂催化剂 H5C2OOCCOOC2H55.在实际工业生产中，乙二醇还可以通过环氧乙烷与水直接化合的方法合成，而环氧乙烷则可由乙烯直接氧化得到。请比较该方法与以上合成乙二酸二乙酯中的2、3两步反应，分析生产中选择该路线的可能原

10、因。CH2CH2催化剂、O2H2CCH2O加压、H2OCH2CH2OHOH从原料成本的角度考虑，使用O2和H2O，比使用C12和NaOH成本更低；从原子利用率的角度考虑，环氧乙烷法没有副产物，原子利用率高；从环境保护的角度考虑，C12有毒，NaOH有腐蚀性，对环境不够友好。【思考与讨论】课堂课堂练习练习2：苯甲酸苯甲酸苯甲酯苯甲酯 是是一种有水果香气的食品香料。一种有水果香气的食品香料。请请以甲苯为基础原料，使用逆合成分析法设计它的合成路线。以甲苯为基础原料，使用逆合成分析法设计它的合成路线。分析分析:合成路线合成路线:方法：方法：先用先用“顺推法顺推法”缩小范围和得到一个大致结构，再用缩小范

11、围和得到一个大致结构，再用“逆推法逆推法”来确定细微结构。这样，比单一的来确定细微结构。这样，比单一的“顺推法顺推法”或或“逆推法逆推法”快速而准确。快速而准确。(3)顺顺推、逆推法结合运用推、逆推法结合运用综合分析法综合分析法逆合成分析法是逆合成分析法是设计复杂化合物设计复杂化合物合成路线的常用方法。合成路线的常用方法。有时正合成分析法和逆合成分析法会结合使用。有时正合成分析法和逆合成分析法会结合使用。二、有机合成二、有机合成路线的设计与实施路线的设计与实施1.1.有机有机合成的设计方法合成的设计方法3、综合综合比较法比较法采用采用综合思维的方法综合思维的方法,将将正向或逆向正向或逆向推导出

12、的几种合成推导出的几种合成途径途径进行进行比较比较,从而得到最佳合成路线从而得到最佳合成路线氟他胺氟他胺课堂练习课堂练习3：氟氟他胺是一种抗肿瘤药，在实验室由芳香烃他胺是一种抗肿瘤药，在实验室由芳香烃A制备氟他胺的合制备氟他胺的合成路线如下所示成路线如下所示：（1）芳香烃）芳香烃A的名称是的名称是 。甲苯甲苯（2）反应、的反应类型：）反应、的反应类型：、。取代反应取代反应还原反应还原反应（3）写出反应的反应方程式；吡啶是一种有机碱，其在反应中的作用？）写出反应的反应方程式；吡啶是一种有机碱，其在反应中的作用？吡啶作用吡啶作用：吸收：吸收产生的产生的HCl，提高反应物转化率，提高反应物转化率（4

13、）设计合成路线：以苯甲醚）设计合成路线：以苯甲醚 为原料制备对甲氧基乙酰苯胺为原料制备对甲氧基乙酰苯胺浓硫酸浓硫酸浓硝酸浓硝酸 Fe/HClCH3COCl 吡啶吡啶分析以上两种方法，以下说法正确的是分析以上两种方法，以下说法正确的是 ()法法2 2比法比法1 1的反应步骤少，能源消耗低，成本低的反应步骤少，能源消耗低，成本低法法2 2比法比法1 1的原料丰富，工艺简单的原料丰富，工艺简单法法2 2比法比法1 1降低了有毒气体的使用，减少了污染降低了有毒气体的使用，减少了污染法法2 2需要的反应温度高，耗能大需要的反应温度高，耗能大A.A.B.B.C.C.D.D.法法1 1：CaCOCaCO3

14、3CaO CaO CaCCaC2 2 CHCH CHCH CHCH2 2=CHCN=CHCN法法2 2：CHCH2 2=CH-CH=CH-CH3 3+NH+NH3 3+3/2O+3/2O2 2 CHCH2 2=CH-CN+3H=CH-CN+3H2 2O O例：合成聚丙烯腈纤维的单体是丙烯腈，它可由以下两种方法制备例：合成聚丙烯腈纤维的单体是丙烯腈，它可由以下两种方法制备.A高温高温CHCN催化剂催化剂425-510(1)脂肪脂肪烃为基础原料到酯的合成烃为基础原料到酯的合成路线路线一元合成路线：一元合成路线：卤代烃卤代烃一元醇一元醇一元醛一元醛一元羧酸一元羧酸酯酯HXR CHCH2R CH2CH

15、2 XNaOH水溶液水溶液 R CH2CH2 OHOR CH2CHOOR CH2COOH浓硫酸浓硫酸 二、有机合成二、有机合成路线的设计与实施路线的设计与实施3.常见的有机合成路线二元合成路线：二元合成路线：二元醇二元醇二元醛二元羧酸链酯、环酯、聚酯X2CHCH2X CH2CH2 XNaOH水溶液水溶液 HO CH2CH2 OHOOHC CHOOHOOC COOH浓硫酸浓硫酸 二、有机合成二、有机合成路线的设计与实施路线的设计与实施3.常见的有机合成路线(1)脂肪脂肪烃为基础原料到酯的合成烃为基础原料到酯的合成路线路线(2)芳香族化合物芳香族化合物合成路线合成路线CH3CH2ClCH2OHCH

16、OCOOH芳香酯浓浓硫酸硫酸 光照光照Cl2NaOH水水溶液溶液 OOClOHCl2FeCl3NaOH水水溶液溶液 二、有机合成二、有机合成路线的设计与实施路线的设计与实施3.常见的有机合成路线1.根据特征现象进行推断溴水褪色：一般含碳碳双键、碳碳三键或醛基。酸性高锰酸钾溶液褪色：含碳碳双键、碳碳三键、醛基或为苯的同系物。遇FeCl3溶液显紫色：含酚羟基。新制Cu(OH)2悬浊液/银氨溶液，加热后出现砖红色沉淀/银镜：含醛基。加入Na，产生H2：含羟基或羧基。加入NaHCO3溶液，产生气体：含羧基。加入溴水产生白色沉淀：含酚羟基。有机推断的知识储备2.根据反应中的特殊条件进行推断NaOH的水溶

17、液：卤代烃、酯的水解反应。NaOH的醇溶液：卤代烃的消去反应。浓硫酸，加热：醇的消去、成醚、酯化；苯环的硝化。溴水或溴的CCl4溶液：烯烃、炔烃的加成。O2/Cu或Ag，加热：醇的催化氧化。新制的Cu(OH)2悬浊液或银氨溶液：醛被氧化为羧酸(或羧酸盐)。稀硫酸：酯的水解；糖、蛋白质等的水解。H2，催化剂：烯烃、炔烃、苯环、醛、酮的加成。卤素，光照：烷烃、苯环侧链烷基上氢原子的取代。卤素，催化剂：苯环上氢原子的取代。3.根据化学计量关系推断有机物中官能团的数目有机合成的应用工程塑料工程塑料聚碳酸酯聚碳酸酯 迄今为止迄今为止，人类已知的物质中，人类已知的物质中95%以上为以上为有机物有机物，而这

18、些，而这些有机物有机物大大多数是由人工合成的。通过有机合成制得的药物、材料等物质广泛地多数是由人工合成的。通过有机合成制得的药物、材料等物质广泛地应用于农业、轻工业、重工业、国防工业等众多领域应用于农业、轻工业、重工业、国防工业等众多领域。上海世博会的石油馆上海世博会的石油馆“油立方油立方”比比TNT爆炸威力大得多爆炸威力大得多的的超级炸药八硝基立方烷恒压滴液漏斗恒压滴液漏斗 球形冷凝管球形冷凝管 三颈烧瓶三颈烧瓶 P89P89课堂达标1、环戊酮环戊酮()常用作医药、香料、合成橡胶、农药的中间体，常用作医药、香料、合成橡胶、农药的中间体，其可由环戊烯经三步反应合成：其可由环戊烯经三步反应合成：

19、，反应反应1、2和和3的反应类型依次是的反应类型依次是（）A.加成反应，取代反应，消去反应加成反应，取代反应，消去反应 B.加成反应，水解反应，氧化反应加成反应，水解反应，氧化反应 C.取代反应，水解反应，还原反应取代反应，水解反应，还原反应 D.加成反应，消去反应，氧化反应加成反应，消去反应，氧化反应BBr2H2催化剂催化剂试剂试剂1CH3COOHXYA反应反应 还可能生成还可能生成：BY的分子式为的分子式为C6H10Br2C若用若用18O标记标记Z中的中的O原子，则原子，则M中一定含有中一定含有18O D试剂试剂1为为NaOH的的醇溶液醇溶液2、有机化合物有机化合物M的合成路线如下图所示，

20、下列说法不正确的是的合成路线如下图所示，下列说法不正确的是（）D练习4已知：已知：分析下图变化，分析下图变化，加成加成写出写出A、B、C、D、E、F的结构简式的结构简式?CHCH3 3O OCHCH3 3=CH3OCH3-CNH HCH3OHCH3-COOH CHCH2 2CHCH3 3-COOHCOOH=CHCH2 2CHCH3 3-COCOOCHOCH3 3=注意读懂题干信息注意读懂题干信息加聚反应加聚反应加成加成消去消去酯化酯化【同步练习同步练习】3、以氯乙烷为原料制取乙二酸以氯乙烷为原料制取乙二酸(HOOCCOOH)的过程中，要依次经过下的过程中，要依次经过下列步骤中的列步骤中的（）与

21、与NaOH的水溶液共热；的水溶液共热；与与NaOH的醇溶液共热；的醇溶液共热；与浓硫酸共热到与浓硫酸共热到170；在催化剂存在情况下与氯气反应；在催化剂存在情况下与氯气反应；在在Cu或或Ag存在的情况下与存在的情况下与O2共热；共热；与新制的与新制的Cu(OH)2悬浊液共热；悬浊液共热；用稀用稀H2SO4酸化酸化A.B.C.D.C酚酚是重要的化工原料，通过下列流程可是重要的化工原料，通过下列流程可合成阿司匹林、合成阿司匹林、香料和一些高分子化合物香料和一些高分子化合物。COOHCOOHOHOHCOOHCOOHO OOCCHOCCH3 3OHOHBrBrBrBrOHOH取代反应取代反应消去消去加

22、成加成消去消去H HOHOH【同步练习同步练习】练习练习55已知：已知：突破口突破口1 1）写出物质的结构简式）写出物质的结构简式C C G G 。2 2）写出反应的化学方程式）写出反应的化学方程式。3 3）写出反应的化学方程式）写出反应的化学方程式 。4 4）写出反应类型：）写出反应类型：。5 5）下列可检验）下列可检验阿司匹林阿司匹林样品中混有样品中混有水杨酸水杨酸的试剂是的试剂是 。a)a)三氯化铁溶液三氯化铁溶液 （b)b)碳酸氢钠溶液碳酸氢钠溶液 c)c)石蕊试液石蕊试液消去反应消去反应加成反应加成反应aCOOHCOOHOHOH水杨酸水杨酸:阿司匹林阿司匹林:COOHCOOHO OO

23、CCHOCCH3 3回答下列问题：回答下列问题：醇，HOH2 PBr2，练习练习6 6CHCH3 3CHCH2 2CNCNNaNaBrBrCHCH3 3CHCH2 2COOHCOOHCHCH3 3CHCHBrBrCOOHCOOH问题：问题：(1)(1)推断推断出上述转化中的各有机物出上述转化中的各有机物(2(2）F F可以有多种结构。写出下列情况下可以有多种结构。写出下列情况下F F的结构简式：的结构简式：分子式为分子式为C C7 7H H1212O O5 5 ；分子内含有一个七元环；分子内含有一个七元环 。CHCH3 3CHCH2 2CNCNCHCH3 3CHCH2 2COOHCOOH有下列

24、有机物之间的相互转化：有下列有机物之间的相互转化：已知：已知：CHCH3 3CHCH2 2BrBrNaNaCNCN取代反应取代反应水解反应水解反应取代反应取代反应CHCH3 3BrBr-CHCH3 3-CHCH3 3COOHCOOH-CHCH3 3-CH3COOH-CH3-BrCH3COOH-CH3-CNCH3COOH-CH3-COOH【同步练习同步练习】反应条件反应条件可能的官能团可能的官能团浓硫酸浓硫酸 稀硫酸稀硫酸 NaOHNaOH水溶液水溶液NaOHNaOH醇溶液醇溶液H H2 2、催化剂、催化剂O O2 2/Cu/Cu、加热、加热 ClCl2 2(Br(Br2 2)/Fe)/Fe C

25、lCl2 2(Br(Br2 2)/)/光照光照醇的消去醇的消去(醇羟基醇羟基)卤代烃的水解卤代烃的水解 酯的水解酯的水解 加成加成(碳碳双键、碳碳叁键、醛基、羰基、苯环碳碳双键、碳碳叁键、醛基、羰基、苯环)醇羟基醇羟基 (CHCH2 2OHOH、CHOH)CHOH)烷烃或苯环上烷烃基卤代烷烃或苯环上烷烃基卤代酯的水解酯的水解(含有酯基含有酯基)二糖、多糖的水解二糖、多糖的水解卤代烃消去（卤代烃消去（X X）苯环上的卤代苯环上的卤代归纳总结：有机归纳总结：有机推断中的相关技巧：推断中的相关技巧：酯化反应酯化反应反应条件 可能官能团 能与NaHCO3反应的 能与Na2CO3反应的 能与Na反应的

26、与银氨溶液反应产生银镜 与新制氢氧化铜产生砖红色沉淀（溶解）使溴水褪色 加溴水产生白色沉淀、遇Fe3+显紫色使酸性KMnO4溶液褪色 A AB B氧化氧化氧化氧化C C-COOH-COOH-COOH-COOH、酚羟基、酚羟基 -COOH-COOH、(酚、醇酚、醇)羟基羟基 -CHO-CHO 醛基醛基(若溶解则含若溶解则含COOHCOOH）C CC C、CCCC或或CHOCHO酚酚C=CC=C、CCCC、酚类或、酚类或CHOCHO、苯的同系物苯的同系物等等 A A是是伯醇伯醇(CHCH2 2OH)OH)或乙烯或乙烯反应类型 可能官能团 加成反应 加聚反应酯化反应 水解反应 消去反应CC、CC、CHO、羰基羰基、苯环、苯环 CC、CC羟基或羧基羟基或羧基 X、酯基、肽键酯基、肽键、多糖等、多糖等X、羟基羟基1.1.下列化学反应的有机产物下列化学反应的有机产物,只有一种的是只有一种的是()()在浓在浓H H2 2SOSO4 4存在下发生存在下发生脱水反应脱水反应在在铁粉铁粉存在下与存在下与氯气氯气发生反应发生反应与与碳酸氢钠碳酸氢钠溶液反应溶液反应D.D.CHCH3 3CH=CHCH=CH2 2 与与溴化氢溴化氢加成加成C能力提升能力提升2 2以以 为为基本原料基本原料合成合成 ，下列合成路，下列合成路线最合理的是线最合理的是 ()D能力提升能力提升