《药物的分子设计与化学合成》教案1

《药物的分子设计与化学合成》教案●课标要求1．通过实例了解精细化工产品的生产特点。2．知道精细化工在社会发展中的作用。●课标解读1.了解药物的分子设计思路和方法。2．明确药物分子合成路线中的化学原理。●教学地位药物是人类身体健康、治疗病症不可缺少的物质，也是延长人类寿命的重要保证。药物的研发及合成是人们研发的重要课题，也是高考命题中有机合成题的重要载体之一。●新课导入建议水杨酸能促进角质代谢，在肌肤表层持续且温和地松脱晦暗枯萎细胞，对清理皮层有很好的效果，可维持肌肤新陈代谢过程的正常，帮助细胞再生、活化，加速肌肤细胞的更新。与一般果酸不同的是，水杨酸不会增加肌肤的感光度，或造成一定的干燥与不舒适感；另外水杨酸还具有对抗各类环境中污染物的功效，使肌肤恢复最佳的新生状态。你知道水杨酸怎样转化为阿司匹林？COOHOH●教学流程设计课前预习安排：看教材P117－124，填写[课前自主导学]，并完成[思考交流]。⇒步骤1：导入新课，本课时教学地位分析。⇒步骤2：建议对[思考交流]进行提问，反馈学生预习效果。⇒步骤3：师生互动完成探究1，可利用[问题导思]的设问作为主线。⇓步骤7：通过[例2]讲解研析，对“探究2”中注意的问题进行总结。⇐步骤6：师生互动完成“探究2”。⇐步骤5：指导学生自主完成[变式训练1]和[当堂双基达标]1、2、3题。⇐步骤4：通过[例1]讲解研析，对“探究1”中注意的问题进行总结。⇓步骤8：指导学生自主完成[变式训练2]和[当堂双基达标]中的4、5题。⇒步骤9：引导学生自主总结本课时知识框架，然后对照[课堂小结]。并安排课下作业完成[课后知能检测]。课标解读重点难点1.通过阿司匹林的发展历程以及药物的选择性设计的学习，了解人们对药物进行设计的思路。2.了解生物电子等排、剖裂和拼合这三种修饰和改造药物分子结构方法的原理。3.通过阿司匹林的生产实例，了解一般药物生产过程中的原料路线以及生产工艺等问题。4.了解新世纪药物的发展方向和重点研究领域，了解我国传统医药的重要作用和未来的发展方向。5.理解药物设计的思路以及药物生产过程中的化学问题。1.药物分子设计的思路和方法。(重点)2.药物生产过程中的化学问题。(重难点)3.药物生产过程中的工艺流程及药物合成中碳架的构建和官能团的转化。(难点)药物的分子设计1.阿司匹林的发展历程(1)历程：水杨酸→阿司匹林→赖氨匹林和缓释阿司匹林。(2)阿司匹林水解的反应：COOHOCOCH3＋H2O→COOHOH＋CH3COOH]2．药物结构修饰和改造的原因：某些药物虽然具有良好的药效，但是可能在溶解性、化学稳定性、毒副作用、选择性以及人体吸收等方面存在不足。因此，人们希望通过对其进行结构修饰和改造，以获得药效相当而又能克服原有缺陷的新药。3．目前对已有药物进行结构改造的主要方法是生物电子等排、剖裂和拼合。1．由乙酰水杨酸获得水杨酸时，发生的反应属于哪种类型？【提示】水解反应或取代反应。药物的化学合成1.工业上选择原料路线着重于经济和技术的可行性，所关心的是原料是否廉价易得、生产工艺是否简便、能否进行大规模生产以及产率高低等。2．生产工艺主要指将原料经过有关反应制得粗产品，然后将粗产品经过分离、提纯、制剂等一系列后处理得到所需要的产品的生产过程。对整个工艺过程，需要着重考虑的是反应条件、设备要求、安全生产和环境保护等问题。2．如何提纯乙酰水杨酸的粗品？【提示】粗品eq\o(→,\s\up14(①Na2CO3溶液),\s\do14(②过滤))乙酰水杨酸钠eq\o(→,\s\up14(①浓盐酸),\s\do14(②过滤、洗涤))乙酰水杨酸eq\o(→,\s\up14(①乙酸乙酯),\s\do14(②加热))精品。新世纪药物的展望1.人类对药物的要求：从以前的有效性、安全性向高效性、专一性、低毒性的方向发展。因此，生物制品、天然药物备受青睐。2．在制剂方面将向长效制剂、靶向制剂和智能化制剂方向发展。3．现代药物研究的科技支柱有分子生物学、基因组学、蛋白质组学、组合化学、高通量筛选以及与药物研究相关的信息科学与技术。药物的分子设计【问题导思】①为什么对已有药物进行结构改造？【提示】克服现有药物的缺陷。②对已有药物进行改造的方法有哪些？【提示】生物电子等排、剖裂、拼合。③N2和—OH的生物电子等排体是什么？【提示】N2与CO，—OH与—NH2、—CH3、—SH等互为生物电子等排体。1．阿司匹林的发展第一阶段：水杨酸。水杨酸的结构简式为OHCOOH，分析结构，含有酚羟基和羧基，酚类对人体皮肤有腐蚀作用，因此水杨酸对胃肠道黏膜有较大的刺激作用。第二阶段：乙酰水杨酸。利用酯能水解的性质把酚羟基变成酯基，用乙酰水杨酸(COOHOCCH3O)代替水杨酸，副作用明显减轻，但乙酰水杨酸还含有羧基，能产生H＋，服用量大时，对胃肠道仍有一定的刺激作用。第三阶段：赖氨匹林、缓释阿司匹林。利用羧酸的酸性制出了一种盐，如增加了其水溶性，可制成针剂的赖氨匹林(eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(CH3COOCOO－))H3eq\o(N,\s\up6(＋))CH(CH2)4eq\o(N,\s\up6(＋))H3)COO－；后来，人们又利用功能高分子的合成方法，把乙酰水杨酸接在聚甲基丙烯酸羟乙酯上制成缓释阿司匹林(COOCH2CH2OOCCCH3CH2OCOCH3)。2．药物结构改造的方法(1)生物电子等排利用生物电子等排体的相近的物理化学性质(如—NH—、—CH2—等)，设计新药时在具有生物活性的分子中以一个电子等排体取代另一个电子等排体。(2)剖裂对于结构比较复杂的药物，可以将其分子结构剖析成两个或数个亚结构，通过对结构与药效间关系的研究，找到结构简化的新药物。(3)拼合把两种药物的结构或药效基团相拼，融合在一个分子内，提高药物的选择性或药理活性。阿司匹林药物在人体内的作用实质是()A．发生酯化反应B．发生水解反应生成醋酸C．发生中和反应D．发生水解反应生成水杨酸【解析】阿司匹林在人体内水解生成水杨酸而起解热镇痛作用。【答案】D1．下列不是对药物进行结构改造的主要方法的是()A．生物电子等排B．水解C．剖裂D．拼合【答案】B水杨酸合成路线的选择【问题导思】①水杨酸的结构简式如何书写？【提示】OHCOOH。②制备水杨酸常用的原料有哪几类？【提示】苯酚、邻氯苯甲酸、苯甲酸。③工业上常用哪种原料合成水杨酸？【提示】苯酚。1．以苯酚钠盐为原料在一定温度及压强下与二氧化碳作用经羧基转位而制得。OHeq\o(→,\s\up14(NaOH))ONaeq\o(→,\s\up14(CO2),\s\do14(一定温度,及压强))eq\b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(OCOONa))eq\o(→,\s\up14(羧基转位))OHCOONaeq\o(→,\s\up14(H2SO4))OHCOOH2．以邻氯苯甲酸为原料制得，产率可达99.5%。ClCOOHeq\o(→,\s\up14(CH32NH，铜盐),\s\do14(100℃))OHCOOH3．以苯甲酸为原料溶于矿物油中，以铜盐为催化剂在210～260℃时通入氮气，然后在175～216℃时通入空气并控制通气速率，交替进行氧化而制得。COOHeq\o(→,\s\up14(CuCO3·CuOH2),\s\do14(N2210～260℃，O2175～216℃))OHCOOH由于苯酚是常用的化工原料，并且合成水杨酸的反应条件比较简单，故工业上常用苯酚作为原料合成水杨酸。(2013·阜阳高二质检)苯酚是重要的化工原料，通过下列流程可合成阿司匹林、香料和一些高分子化合物。已知：OH＋OCH3COCH3COeq\o(→,\s\up14(H＋))CH3COO＋CH3COOH(1)写出C的结构简式：________。(2)写出反应②的化学方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)写出G的结构简式：________________________________________________________________________。(4)写出反应⑧的化学方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(5)写出反应类型：④________；⑦________。(6)下列可检验阿司匹林样品中混有水杨酸的试剂是________。a．三氯化铁溶液b．碳酸氢钠溶液c．石蕊试液【解析】(1)根据题目信息D为OH与H2的加成产物：OH＋3H2eq\o(→,\s\up14(Ni))OH(环己醇)，A与D反应生成C：OHCOOH＋OHeq\o(,\s\up14(浓H2SO4),\s\do14(△))H2O＋OCOHO。(2)反应实质是醋酸酐与酚羟基反应，生成酯和醋酸。(3)实质是水杨酸的羟基与羧基发生缩聚反应。(4)⑦的反应产物F为，反应⑧是相当于1，4­加成的加聚反应，故neq\o(→,\s\up14(催化剂),\s\do14())。(5)④加成反应，⑦卤代烃的消去反应。(6)因为阿司匹林结构中无酚羟基，而水杨酸(OHCOOH)结构中有酚羟基，酚羟基能与Fe3＋生成紫色络合物，所以选三氯化铁溶液。【答案】(1)COOOH(2)COOHOH＋(CH3CO)2Oeq\o(→,\s\up14(H＋))OCOCH3COOH＋CH3COOH(3)OCO(4)neq\o(→,\s\up14(催化剂),\s\do14())(5)加成反应消去反应(6)a卤代烃在碱、醇、加热条件下发生消去反应；在碱、水、加热条件下发生水解反应。2．甲氯芬那酸是一种非甾体抗炎镇痛药。CH3NHCOCH3是制备甲氯芬那酸的中间产物，该中间产物利用下面的反应制得：NH2CH3eq\o(→,\s\up14(酰化),\s\do14(CH3COOH))NHCOCH3CH3，则该反应的反应类型为()A．酯化反应B．加成反应C．消去反应D．取代反应【解析】反应实质是—NH2中的H原子被COCH3取代。【答案】D1．药物结构改造的3种方法：生物电子等排、剖裂、拼合。2．阿司匹林发展三阶段的物质：水杨酸、阿司匹林、缓释阿司匹林。3．常见的4类生物电子等排体：N2与CO；—OH与—NH2、—CH3、卤素、—SH；—O—与—NH—、—CH2—；—CH=与—N=。4．制备水杨酸的1个反应流程：OH→ONa→OCOONa→OHCOONa→OHCOOH。1．下列解热镇痛药物使用效果最好的是()A．水杨酸B．阿司匹林C．赖氨匹林D．缓释阿司匹林【解析】A、B、C、D四个选项的前后顺序正是对这种解热镇痛药逐渐修饰完美的过程。【答案】D2．(2013·镇江高二检测)在阿司匹林的结构简式中①②③④⑤⑥分别标出了其分子中的不同的键。将阿司匹林与足量NaOH溶液共煮时，发生反应时断键的位置是()A．①④B．②⑤C．③④D．②⑥【解析】与足量的NaOH溶液共煮，羧基可和NaOH发生中和反应，断裂⑥键；酯基发生水解反应，断裂②键。【答案】D3．与—CH3互为生物电子等排体的是()A．COB．—OHC．—O—D．—CH=【解析】生物电子等排体指具有相同数目价电子，且在分子大小、形状(键角)等方面存在相似性的不同分子或原子团。—CH3、—OH含有7个价电子，CO含有10个价电子，—O—含有6个价电子，—CH=含有5个价电子。【答案】B4．下列不属于新世纪制剂发展方向的是()A．长效制剂B．靶向制剂C．智能化制剂D．短效制剂【答案】D5．据报道，目前我国结核病的发病率有抬头的趋势。抑制结核杆菌的药物除雷米封外，PAS—Na(对氨基水杨酸钠)也是其中一种。它与雷米封可同时服用，可以产生协同作用。已知：①NO2eq\o(→,\s\up14(Fe、HCl、H2O),\s\do14())NH2(苯胺、弱碱性、易氧化)②CH3eq\o(→,\s\up14(KMnO4、H＋))COOH下面是PAS—Na的一种合成路线(部分反应的条件未注明)：Aeq\o(→,\s\up14(浓硫酸、浓硝酸),\s\do14(△))Beq\o(→,\s\up14(反应Ⅰ))C7H6BrNO2eq\o(→,\s\up14(试剂X),\s\do14(反应Ⅱ))Ceq\o(→,\s\up14(NaOH溶液),\s\do14(△))Deq\o(→,\s\up14(反应Ⅲ))Eeq\o(→,\s\up14(试剂Y))NH2COONaHO对氨基水杨酸钠按要求回答问题：(1)写出下列反应的化学方程式并配平。A→B：________________________________________________________________________；B→C7H6BrNO2：________________________________________________________________________；(2)写出下列物质的结构简式：C________________________________________________________________________，D____________________；(3)指出反应类型：Ⅰ________，Ⅱ________；(4)指出所加试剂名称：X________，Y________。【解析】本题根据对氨基水杨酸钠的结构简式可知A一定含有苯基且含甲基，由于羧基与氨基位于对位，所以，硝基位于甲基的对位。酚羟基来源于卤原子的水解反应，所以溴原子取代的氢原子应位于甲基的邻位。高锰酸钾具有强氧化性，所以先进行甲基的氧化反应后进行溴原子的水解反应和硝基的还原反应。由于羧基与碳酸氢钠反应而酚羟基不反应，所以试剂Y只能为碳酸氢钠而不能为氢氧化钠。【答案】(1)CH3＋HNO3eq\o(→,\s\up14(浓硫酸),\s\do14(△))O2NCH3＋H2OO2NCH3＋Br2eq\o(→,\s\up14(催化剂),\s\do14())HBr＋O2NCH3Br(2)O2NCOOHBrO2NCOONaONa(3)取代反应氧化反应(4)(酸性)高锰酸钾溶液碳酸氢钠溶液1．下列说法中，不正确的是()A．现代药物主要是人工合成的药物B．天然药物具有良好的药效，所以不需要进行改造C．药物的生物活性跟它结构中的某些官能团有关D．在药物设计领域计算机应用前景广阔【答案】B2．下列不属于新世纪药物发展方向的是()A．高效性B．专一性C．低毒性D．低价位【答案】D3．L­多巴是一种有机物，它可用于帕金森综合症的治疗，其结构简式为HOOHCH2CHCOOHNH2。下列关于L­多巴酸碱性的叙述正确的是()A．既没有酸性，又没有碱性B．既有酸性，也有碱性C．只有酸性，没有碱性D．只有碱性，没有酸性【解析】L­多巴从结构上分析含有—NH2，因此有碱性(与酸反应)，含有羧基(—COOH)和酚羟基，又有酸性(与碱反应)。【答案】B4．具有解热镇痛及抗生素作用的药物“芬必得”，其主要成分的结构简式为：CH3CH(CH3)CH2CH(CH3)COOH从结构上来看，它不应具有的性质有()A．可以与碱溶液发生中和反应B．可以与醇发生酯化反应C．可以发生水解反应D．可以发生取代反应【解析】分子中含有—COOH决定了它能发生中和、酯化、取代等反应。【答案】C5．心酮胺是治疗冠心病的药物。它的结构简式为CH3OCOCH2CH2NHCHCHCH3OH下列关于心酮胺的描述，错误的是()A．可以在催化剂作用下和溴反应B．不可以和银氨溶液发生银镜反应C．不可以和氢溴酸反应D．可以和浓硫酸与浓硝酸的混合液反应【解析】观察题给结构简式可知，心酮胺分子中含有苯基、酮羰基、醇羟基等，因此心酮胺应具有多重性质，从苯基角度看，心酮胺可以跟卤素、浓硫酸和浓硝酸的混合液等发生取代反应。从醇羟基角度看，可以和HBr发生取代反应，无醛基，不能发生银镜反应。【答案】C6．某有机物是药物生产的中间体，其结构简式如图。下列有关叙述正确的是()OHOCOCCH3CH2OHClA．该有机物与溴水发生加成反应B．该有机物与浓硫酸混合加热可发生消去反应C．1mol该有机物与足量NaOH溶液反应最多消耗3molNaOHD．该有机物经催化氧化后能发生银镜反应【解析】该有机物不能与溴水发生加成反应，但能发生苯环上的取代反应，A错。由于醇羟基的邻碳无氢，故不能发生消去反应，B错。能和NaOH溶液反应的官能团有酚羟基、酯基和卤原子，完全反应共需NaOH4mol，C错。【答案】D7．(双选)(2012·江苏高考)普伐他汀是一种调节血脂的药物，其结构简式如图所示(未表示出其空间构型)。下列关于普伐他汀的性质描述正确的是()A．能与FeCl3溶液发生显色反应B．能使酸性KMnO4溶液退色C．能发生加成、取代、消去反应D．1mol该物质最多可与1molNaOH反应【解析】解题的关键是官能团的确定。在普伐他汀的结构中含有的官能团有醇羟基(OH)、羧基(COOH)、酯基(COO)和碳碳双键(CC)，所以能发生取代反应、加成反应、消去反应，也能使酸性KMnO4溶液退色。但因无酚羟基，故不能与FeCl3溶液发生显色反应。分子中的羧基(COOH)和酯基(COO)都能和NaOH溶液反应，故1mol该物质可与2molNaOH反应。【答案】BC8．某抗感冒药的有效成分是伪麻黄碱，其结构简式如下所示。伪麻黄碱不易进入人体的中枢神经系统，无明显刺激中枢神经兴奋的作用，也不会上瘾，所以它是一种比较安全的抗感冒药。下列有关伪麻黄碱的说法中，错误的是()CHOHCHNHCH3CH3A．伪麻黄碱的分子式为C10H15NOB．在一定条件下，伪麻黄碱和单质溴发生取代反应时，苯环上的一溴代物共有3种C．伪麻黄碱的分子结构中含有苯环，所以伪麻黄碱是苯的同系物D．伪麻黄碱在一定条件下，可以发生的反应类型有加成、取代、消去、酯化等【解析】苯的同系物属于烃，该物质含有N、O元素，不属于烃，且它们的分子组成上也不相差“CH2”的整数倍，故C错误。【答案】C9．(2013·新课标全国卷Ⅰ)香叶醇是合成玫瑰香油的主要原料，其结构简式如下所示。下列有关香叶醇的叙述正确的是()A．香叶醇的分子式为C10H18OB．不能使溴的四氯化碳溶液褪色C．不能使酸性高锰酸钾溶液褪色D．能发生加成反应不能发生取代反应【解析】A项，依据碳原子结构分析可知，碳原子在有机化合物中形成四个共价键。在键线式中剩余价键被氢原子饱和，由香叶醇的结构简式可得分子式为C10H18O。B项，分子结构中含有碳碳双键，能与溴发生加成反应，从而使溴的CCl4溶液褪色。C项，分子结构中含有碳碳双键，能被酸性高锰酸钾溶液氧化，使紫红色褪去。D项，分子结构中碳碳双键可发生加成反应，醇羟基可发生取代反应。【答案】A10．NM­3和D­58是正处于临床试验阶段的小分子抗癌药物，结构如下：关于NM­3和D­58的叙述，错误的是()A．都能与NaOH溶液反应，原因不完全相同B．都能与溴水反应，原因不完全相同C．都不能发生消去反应，原因相同D．遇FeCl3溶液都显色，原因相同【解析】本题结合信息考查有机物的结构和性质。NM­3中酯基、羧基、酚羟基和D­58中的酚羟基均能与NaOH溶液反应，但反应原因不同，A项正确；NM­3与溴水发生加成反应和取代反应，D­58与溴水发生取代反应，B项正确；两种物质都不能发生消去反应，由于羟基所处的位置不同，C项错误；两种物质中含有酚羟基，D项正确。【答案】C11．2000年，国家药品监督管理局发布通告，暂停使用和销售含苯丙醇胺的药品制剂。苯丙醇胺(英文缩写为PPA)，结构简式如下：CHØOHCHNH2CH3，其中Ø—代表苯基。苯丙醇胺是一种取代苯，取代基是CHOHCHNH2CH3。(1)PPA的分子式是________。(2)它的取代基中有两个官能团，名称是________基和________基(请填写汉字)。【解析】知道PPA的分子式和官能团，关键是看清题目要求，一般习惯写—OH和—NH2形式，但本题要求写汉字，考查了学生的审题能力。【答案】(1)C9H13ON(2)羟氨12．下图是某药物中间体的结构示意图：试回答下列问题：(1)观察上面的结构简式与立体模型，通过对比指出结构简式中的“Et”表示________________________________________________________________________；(2)Et与下列哪种微观粒子所含电子数相同________。a．Sb．Clc．Ard．K(3)下列有关该药物中间体的说法中正确的是________。a．分子式为C9H13O3b．只含有一种官能团c．是乙酸乙酯的同系物d．既含有极性键，又含有非极性键(4)该药物中间体分子中与碳原子相结合的氢原子被溴原子取代，所得一溴代物有________种。【解析】(1)由立体模型和结构简式可以看出“Et”代表乙基。(2)乙基的电子数为17。(3)该有机物分子式C9H12O3，含有酯基和羰基两种官能团，所以不是乙酸乙酯的同系物，该有机物分子既含有极性键，又含有非极性键。(4)该有机物分子中有7个碳原子上连有氢原子，且这7个碳原子上的氢原子都不等效，所以该药物中间体分子的一溴代物有7种。【答案】(1)CH3CH2—(2)b(3)d(4)713．已知：①RNH2＋R′CH2Cleq\o(→,\s\up14(一定条件))RNHCH2R′＋HCl(R和R′代表烃基)②苯的同系物能被酸性高锰酸钾溶液氧化，如：CH3eq\o(→,\s\up14(KMnO4H＋),\s\do14(△))COOH③NO2eq\o(→,\s\up14(一定条件下))NH2(苯胺，弱碱性，易氧化)化合物C是制取消炎灵(盐酸祛火痛)的中间产物，其合成路线如图所示：请回答下列问题：(1)B物质的结构简式是________。(2)写出反应①②的化学方程式：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________。(3)反应①～⑤中，属于取代反应的是________(填反应序号)。【解析】结合化合物C的合成路线图和有关物质的结构简式知反应①是甲苯与Cl2在光照条件下发生取代反应生成一氯甲苯；结合反应②的反应条件和反应④得到产物的结构简式，可知反应②发生硝化反应(属于取代反应)生成NO2CH3，利用题中信息②推知反应③发