3.5.有机合成课件高二下学期化学人教版选择性必修3

第五节有机合成情景引入远古时代19世纪20年代物质丰富的今天人类依靠自然资源，加工转化自然资源，从生物体中获得有机化合物德国化学家维勒合成尿素,开创人工合成有机物新时代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。CO(NH2)2随着新的有机反应、新试剂的不断发现和有机合成理论的发展，有机合成的技术和效率不断提高。有机合成的主要任务1.有机合成的概念：一般4个C以内的单官能团有机物或单取代苯为原料利用简单、易得的原料，通过有机反应来构建碳骨架和引入官能团，由此合成出具有特定结构和性质的目标分子。2.有机合成的主要任务①构建碳骨架:包括碳链的增长和缩短、成环、开环等过程②引入官能团:包括官能团的引入、转化、消除及保护等原料分子中的碳原子目标分子中的碳原子少于引入含碳原子的官能团（1）与HCN发生加成反应（2）羟醛缩合反应（5）聚合反应等（3）酯化反应（4）分子间脱水反应1.碳链增长：一、构建碳骨架（增长、缩短、成环、开环）

(1)烯烃(炔烃)或醛、酮与HCN的加成反应——引入氰基，延长碳链CH≡CH

+HCN+HCN催化剂催化剂丙烯腈CH2＝CHCNH2O，H＋CH2＝CHCOOH丙烯酸HRCO=CNRCHOH-羟基腈CH2NH2RCHOH-氨基醇一般与HCN加成之后，引入氰基，再经水解生成羧酸或催化加氢还原成胺还原反应加成反应(2)羟醛缩合反应β-羟基醛α,β-不饱和醛加成反应消去反应

nHO-CH2CH2-COOH

H[O-CH2CH2-C]nOH+(n-1)H2O一定条件(5)聚合反应(3)酯化反应(4)醇分子间脱水成醚nCH2＝CH2[CH2—CH2]n一定条件下1818

OOCH3—C—OH+H—O—C2H5

CH3—C—O—C2H5+H2O浓H2SO4C2H5−OH+HO−C2H5C2H5−O−C2H5+H2O浓H2SO4140

℃

①加聚反应

②缩聚反应O‖原料分子中的碳原子目标分子中的碳原子多于缩短碳链（1）烷烃的分解反应（3）与酸性高锰酸钾溶液发生氧化反应（2）酯的水解反应2.碳链的缩短C4H10CH4+C3H6△

C8H18

C4H10+C4H8

C4H10

C2H6+C2H4△

CH3COOC2H5＋H2OCH3COOH＋C2H5OH稀硫酸△(3)烯烃、炔烃及芳香烃的侧链被KMnO4(H+)溶液氧化。CH3CH=CH2KMnO4(H+)CH3C≡CHKMnO4(H+)CH3COOH+CO2CH3COOH+CO2苯的同系物的氧化：产物是苯甲酸与苯环相连的碳原子上至少连有一个氢原子才能被酸性高锰酸钾氧化。3.碳链的成环(1)共轭二烯烃加成123465123465实质：加成反应第尔斯-阿尔德反应的要点：共轭二烯烃的四个碳原子和另一个双键或三键碳形成六元环状化合物，其他原子或基团仍连在原来的碳原子上。(2)合成环酯HOCH2CH2OH＋H2O(3)合成环醚△催化剂分子内脱水分子间脱水4.碳链的开环(1).如环酯的水解反应:(2).某些环状烯烃、炔烃的氧化反应:②Zn/H2O①O3OHCCH2CH2CH2CH2CHOKMnO4(H+)HOOCCH2CH2CH2CH2COOH高锰酸钾溶液氧化性更强，可以得到酮或羧酸。O3氧化性相比更弱一些，往往得到醛或酮有机合成的关键是通过有机反应构建目标化合物的分子骨架，并引入或转化所需要的官能团。有选择地通过取代、加成、消去、氧化、还原等有机化学反应，可以实现有机化合物类别的转化，并引入目标官能团。(课本P86)二、有机合成的主要任务——引入官能团(1)醇或卤代烃的消去反应CH3CH2OHCH2=CH2↑+H2OCH3CH2Br＋NaOHCH2=CH2↑＋NaBr＋H2O乙醇△(2)炔烃与H2、HX、X2的不完全加成(限制物质的量)可得碳碳双键CH≡CH+Cl2ClCH=CHCl

1.碳碳双键的引入浓H2SO4170℃(注意反应条件)CH≡CH+HBr

CH2=CHBr催化剂△催化剂△(1)烷烃(或苯及苯的同系物)的取代CH4+Cl2CH3Cl+HCl光照+3Cl2光照+3HCl2.碳卤键的引入注意(2)醇(或酚)的取代反应C2H5−OH+H−BrC2H5−Br

+H2O△＋3Br2

＋3HBr（过量）OHOHBrBrBr2.碳卤键的引入(3)烯烃(或炔烃)的与X2、HX加成CH3CH＝CH2＋Br2

CH3CHBrCH2BrCH3CH＝CH2＋HClCH3CHClCH3△催化剂△CH≡CH＋HClCH2＝CHClCH≡CH+Cl2ClCH=CHCl

催化剂△2.碳卤键的引入(1)烯烃与水的加成CH3CH＝CH2＋H2OCH3CH(OH)CH3催化剂加热、加压(2)卤代烃的水解CH3CH2CH2Cl+NaOHCH3CH2CH2OH+NaClH2O△3.羟基的引入(3)酯的水解CH3COOC2H5＋NaOHCH3COONa＋C2H5OH△CH3COOC2H5＋H2OCH3COOH＋C2H5OH稀硫酸△(4)醛、酮的还原OCCH3CH3＋H2催化剂OHCHCH3CH3CH3CHO

+H2CH3CH2OH催化剂Δ(5)羧酸在强还原剂作用下还原成醇RCOOHRCH2OHLiAlH43.羟基的引入(6)酚羟基的引入方法①酚盐溶液与CO2、HCl等反应＋NaClOH+HClONa＋NaHCO3OH+CO2+H2O

ONa②苯的卤代物水解生成苯酚—Cl＋H2O一定条件下-OH＋HCl3.羟基的引入4.醛基和酮羰基的引入①烯烃氧化②炔烃水化③某些烯烃、炔烃被O3或酸性高锰酸钾溶液氧化CH3COOH+②Zn/H2O①O3OHCCH2CH2CH2CH2CHOR-CH2OHCu/Ag△R-CHOR1-CH-R2OHCu/Ag△R1-C-R2O醛酮伯醇仲醇④某些醇的催化氧化①醛的氧化反应②酯、酰胺的水解反应2CH3CHO+O22CH3COOHCH3COOC2H5＋H2OCH3COOH＋C2H5OH稀硫酸△5.羧基的引入CH3CHO＋2Cu(OH)2＋NaOHCH3COONa＋Cu2O↓＋3H2O△CH3COOHH＋RCONH2＋NaOHRCOONa＋NH3↑RCONH2＋H2O＋HClRCOOH＋NH4ClRCOOHH＋③某些烯烃、炔烃、芳香烃侧链被酸性KMnO4溶液氧化的反应C＝CH-RR1R2KMnO4H＋C＝O＋R-COOHR1R2CH≡C-RKMnO4H＋CO2＋RCOOHCH—RR1KMnO4H＋HOOC—5.羧基的引入④伯醇被酸性高锰酸钾或重铬酸钾溶液氧化的反应通常有碳碳双键、羟基、羰基或醛基和氨基等需保护。因酚羟基易被氧化，故在加入氧化剂之前将酚-OH先转化为-ONa(或-OCH3)，待其他基氧化后，再酸化使其转化为-OH，其过程表示为(1)酚羟基的保护OCH3COOHOHCOOHCH3IKMnO4/H＋H＋OCH3CH3OHCH3三、官能团的保护ONaCOOHOHCOOHNaOHKMnO4/H＋H＋ONaCH3OHCH3→因酚羟基易被氧化，故在加入氧化剂之前将-OH先转化为-ONa(或-OCH3)，待其他基氧化后，再酸化使其转化为-OH，其过程表示为→醛基、羟基和碳碳双键均容易被氧化。若只氧化醛基或羟基，则需要对碳碳双键进行保护。(2)碳碳双键的保护C＝CNaOH/醇△C＝C＋HX—C—C—XH→可以利用其与HCl等的加成反应将其保护起来，待氧化后再利用消去反应恢复碳碳双键。相关合成反应醛基也是容易被氧化剂氧化。(3)醛基的保护醛基保护一般是把醛基制成缩醛，最后再将缩醛水解得到醛基(常用乙二醇)缩醛(4)氨基的保护氨基易被O2、O3、H2O2、酸性KMn04溶液等氧化先用盐酸转化为铵盐，后加NaOH溶液重新转化为-NH21.设计：进行合理的设计与选择。【思考】在掌握碳骨架构建和官能团转化基本方法后，如何进一步确定有机合成路线呢？2.操作实施：以较低的成本和较高的产率，通过简便而对环境友好的操作得到目标产物。基础原料辅助原料1中间体1副产物1辅助原料2中间体2副产物2辅助原料3目标化合物这种按一定顺序进行的一系列反应就构成了合成路线副产物3(1)正合成分析法:采用正向思维方法，从已知原料入手，找出合成所需要的中间体，逐步推向目标产物。(又称顺推法)四、有机合成路线的设计与实施1.有机合成的设计方法简单、易得碳骨架和官能团等方面的异同的比较增加一段碳链或连上一个官能团多步递进反应的总产率=各步反应产率的乘积(1)中合成路线总产率=70%×70%×70%＝34.3%产率(70%)(1)中合成路线总产率=70%×70%×70%＝34.3%产率(70%)合成步骤应尽可能少，以提高产率。练后反思:(1)中每一步产率都较高，总产率却较低，分析原因。→合成步骤多是导致产率较低的重要原因之一。思考:有机合成应遵循什么样的原则？(2)逆合成分析法:逆合成分析法示意图基础原料中间体1目标

化合物中间体2(又称逆推法)其特点：从产物出发，由后向前推，先找出产物的前一步原料(中间体)，并同样找出它的前一步原料，如此继续直至到达简单的初始原料为止。确定最适宜的基础原料和合成路线C—OHC—OHOOH2C—OHH2C—OHH2C—ClH2C—ClCH2CH2C—OC2H5C—OC2H5OO(石油裂解气)CH3CH2OH+H2O+Cl2[O]浓H2SO4水解探讨学习如何合成乙二酸二乙酯？12345△如何合成乙二酸二乙酯？再整理合成思路和路线，写出相关的反应方程式12345

5步反应完成合成：CH2=CH2+H2O催化剂Δ，加压CH3CH2OH1.CH2CH2OHOH+2O2催化剂ΔCCHOOHOO+2H2O4.+2CH3CH2OHCCHOOHOO+2H2O催化剂ΔCCC2H5OOC2H5OO5.CH2=CH2+Cl2CH2-ClCH2-Cl2.CH2CH2-Cl-Cl+2NaOHH2OΔCH2-OHCH2-OH+2NaCl3.方法：先用“顺推法”缩小范围和得到一个大致结构，再用“逆推法”来确定细微结构。这样，比单一的“顺推法”或“逆推法”快速而准确。(3)顺推、逆推法结合运用——综合分析法逆合成分析法是设计复杂化合物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。途径一：CH2=CH2+Cl2CH2-ClCH2-Cl2.CH2CH2-Cl-Cl+2NaOHH2OΔCH2-OHCH2-OH+2NaCl3.对比：途径二：(1)途径二采用Cl2、NaOH，可能腐蚀设备，污染环境；

途径一采用氧气和水，成本低，对环境污染小。思考:有机合成还应遵循什么样的原则？(2)途径二原子利用率小于100%；而上述途径一原子利用率100%原料无毒、无污染；原子利用率高。(5)要贯彻“绿色化学”理念等。2.设计合成路线的基本原则(1)步骤较少，副反应少，反应产率高；(2)原料、溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒；(3)反应条件温和，操作简便，产物易于分离提纯；(4)污染排放少；——通常采用4个C以下的单官能团化合物和单取代苯。有机合成中的原子经济；原料的绿色化；试剂与催化剂的无公害化；(1)脂肪烃为基础原料到酯的合成路线①一元合成路线：卤代烃一元醇一元醛一元羧酸酯HXRCH＝CH2RCH2CH2XNaOH水溶液ΔRCH2CH2OH[O]RCH2CHO[O]RCH2COOH浓硫酸Δ五.常见的有机合成路线②二元合成路线：二元醇二元醛二元羧酸链酯、环酯、聚酯X2CH＝CH2XCH2CH2XNaOH水溶液ΔHOCH2CH2OH[O]OHCCHO[O]HOOCCOOH浓硫酸Δ(2)芳香族化合物合成路线CH3CH2ClCH2OHCHOCOOH芳香酯浓硫酸Δ光照Cl2NaOH水溶液Δ[O][O]ClOHCl2FeCl3②NaOH水溶液Δ①有机合成发展史→20世纪初，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%。颠茄酮→20世纪中后期，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。→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。维生素B12恒压滴液漏斗球形冷凝管三颈烧瓶有机合成的常用装置

1、由反应条件确定官能团：反应条件可能的官能团浓硫酸△稀硫酸△

NaOH水溶液△NaOH醇溶液△H2、催化剂O2/Cu、加热Cl2(Br2)/FeCl2(Br2)/光照①醇的消去(醇羟基)①卤代烃的水解②酯的水解加成(碳碳