高中化学第3章有机合成及其应用合成高分子化合物第1节第2课时有机合成路线的设计和应用学案鲁科版选修5.docx

高中化学第3章有机合成及其应用合成高分子化合物第1节第2课时有机合成路线的设计和应用学案鲁科版选修5.docx

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高中化学第3章有机合成及其应用合成高分子化合物第1节第2课时有机合成路线的设计和应用学案鲁科版选修5

有机合成路线的设计和应用

[核心素养发展目标]　1.宏观辨识与微观探析：

结合碳骨架的构建及官能团衍变过程中的反应规律，能利用反应规律进行有机物的推断与合成。

2.证据推理与模型认知：

落实有机物分子结构分析的思路和方法，建立对有机反应多角度认识模型、并利用模型进一步掌握有机合成的思路和方法。

一、有机合成路线的设计（正向合成分析法）

1．正向合成分析法

（1）方法：

从确定的某种原料分子开始，逐步经过碳链的连接和官能团的安装来完成。

（2）步骤：

首先要比较原料分子和目标化合物分子在结构上的异同，包括官能团和碳骨架两个方面的异同；然后，设计由原料分子转向产物的合成路线。

2．优选合成路线依据

（1）合成路线是否符合化学原理。

（2）合成操作是否安全可靠。

（3）绿色合成：

主要考虑有机合成中的原子经济性；原料的绿色化；试剂与催化剂的无公害性。

3．有机合成中常用的“四条路线”

（1）一元合成路线

R—CH===CH2卤代烃一元醇一元醛一元羧酸酯。

（2）二元合成路线

CH2===CH2CH2X—CH2XCH2OH—CH2OHOHCCHO

HOOC—COOH―→链酯、环酯、聚酯。

（3）芳香化合物合成路线

①

②

芳香酯

③

④

（4）改变官能团位置

CH3CH2CH2BrCH3CH===CH2

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1．常见有机物的转化关系

若以乙醇为原料合成乙二酸（HOOC—COOH），则依次发生反应的类型是消去反应、加成反应、水解（或取代）反应、氧化反应、氧化反应。

2．有机合成路线的基本要求

（1）起始原料要廉价、易得、低毒性、低污染。

（2）应尽量选择步骤最少的合成路线，步骤越少，最后产率越高。

（3）合成路线要符合“绿色环保”的要求。

（4）有机合成反应要操作简单、条件温和、能耗低、易于实现。

（5）要按一定的反应顺序和规律引入官能团。

例1　以溴乙烷为原料制备乙二醇，下列方案最合理的是（　　）

A．CH3CH2BrCH3CH2OHCH2===CH2CH2BrCH2Br乙二醇

B．CH3CH2BrCH2BrCH2Br乙二醇

C．CH3CH2BrCH2===CH2CH3CH2BrCH2BrCH2Br乙二醇

D．CH3CH2BrCH2===CH2CH2BrCH2Br乙二醇

【考点】　有机合成路线的设计

【题点】　有机合成路线的设计与选择

答案　D

解析　题干中强调的是最合理的方案，A项与D项相比，步骤多一步，且在乙醇发生消去反应时，容易发生分子间脱水、氧化反应等副反应；B项步骤最少，但取代反应不会停留在“CH2BrCH2Br”阶段，副产物多，分离困难，原料浪费；C项比D项多一步取代反应，显然不合理；D项相对步骤少，操作简单，副产物少，较合理。

例2　已知：

请运用已学过的知识和上述给出的信息写出由乙烯制正丁醇各步主要反应的化学方程式（不必写出反应条件）。

【考点】　有机合成路线的设计

【题点】　正向合成分析法

答案　

（1）CH2===CH2＋H2O―→CH3CH2OH

（2）2CH3CH2OH＋O2―→2CH3CHO＋2H2O

（3）2CH3CHO―→

（4）CH3CH===CHCHO＋H2O

（5）CH3CH===CHCHO＋2H2―→CH3CH2CH2CH2OH

解析　由题给信息知：

两个醛分子在一定条件下通过自身加成反应，得到的不饱和醛分子中的碳原子数是原参加反应的两个醛分子的碳原子数之和。

根据最终产物正丁醇中有4个碳原子，原料乙烯分子中只有2个碳原子，运用题给信息，将乙烯氧化为乙醛，两个乙醛分子再进行自身加成变成丁烯醛，最后用H2与丁烯醛中的碳碳双键和醛基进行加成反应，便可得到正丁醇。

本题基本采用正向思维方法。

乙烯乙醛丁烯醛正丁醇。

本题中乙烯合成乙醛的方法有两种：

其一：

乙烯乙醇乙醛；

其二：

乙烯乙醛。

例3　（2018·广东佛山月考）软性隐形眼镜可由聚甲基丙烯酸羟乙酯制成超薄镜片，其中聚甲基丙烯酸羟乙酯的合成路线如图所示：

已知：

试回答下列问题：

（1）A、E的结构简式分别为A__________，E__________________________________。

（2）写出下列反应的反应类型：

A―→B_____________________________________，

E―→F____________。

（3）写出下列反应的化学方程式：

I→G________________________________________________________________________；

C→D________________________________________________________________________。

【考点】　有机合成路线的设计

【题点】　正向合成分析法

答案　

（1）CH2===CHCH3　（CH3）2C（OH）COOH

（2）加成反应　消去反应　（3）CH2ClCH2Cl＋2NaOHCH2OHCH2OH＋2NaCl

2CH3CH（OH）CH3＋O22CH3COCH3＋2H2O

解析　A与溴化氢发生加成反应得到B（C3H7Br），则A为丙烯（CH2===CHCH3），C3H7Br在氢氧化钠水溶液中发生取代反应得到C（C3H7OH）；C催化氧化得到丙酮D（CH3COCH3）；丙酮与HCN、H2O及H＋等发生反应，最终得到E[（CH3）2C（OH）COOH]；E在浓硫酸、加热条件下发生消去反应得到F[CH2===C（CH3）COOH]。

乙烯（CH2===CH2）与氯气发生加成反应得到I，则I为1,2二氯乙烷（CH2ClCH2Cl）；1,2二氯乙烷在氢氧化钠水溶液中发生取代反应，得到G，即乙二醇（CH2OHCH2OH）。

F[CH2===C（CH3）COOH]与乙二醇（CH2OHCH2OH）发生酯化反应得到H（），H发生加聚反应得到目标产物。

（2）A转化为B的反应为加成反应；E转化为F的反应为消去反应。

（3）I转化为G的反应方程式为CH2ClCH2Cl＋2NaOHCH2OHCH2OH＋2NaCl；C转化为D的反应方程式为2CH3CH（OH）CH3＋O22CH3COCH3＋2H2O。

思维启迪——解决有机合成题的基本步骤

第一步：

要正确判断合成的有机物属于何种有机物，它带有什么官能团，它和哪些知识、信息有关，它所在的位置的特点等。

第二步：

根据现有原料、信息和有关反应规律，尽可能合理地把目标有机物解剖成若干片段，或寻找官能团的引入、转换、保护方法，或设法将各片段（小分子化合物）拼接衍变，尽快找出合成目标有机物的关键和突破点。

第三步：

将正向思维和逆向思维、纵向思维和横向思维相结合，选择出最佳合成方案。

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有机合成中常见的新信息

1．苯环侧链引羧基

如（R代表烃基）被酸性KMnO4溶液氧化生成此反应可缩短碳链。

2．卤代烃跟氰化钠溶液反应再水解可得到羧酸

如CH3CH2BrCH3CH2CNCH3CH2COOH；

卤代烃与氰化物发生取代反应后，再水解得到羧酸，这是增加一个碳原子的常用方法。

3．烯烃通过臭氧氧化，再经过锌与水处理得到醛或酮

如CH3CH2CHO＋RCH===CHR′（R、R′代表H或烃基）与碱性KMnO4溶液共热后酸化，发生双键断裂生成羧酸，通过该反应可推断碳碳双键的位置。

4．双烯合成

如1,3丁二烯与乙烯发生环化加成反应得到环己烯，

，这是著名的双烯合成，也是合成六元环的首选方法。

5．羟醛缩合

有αH的醛在稀碱（10%NaOH）溶液中能和另一分子醛相互作用，生成β羟基醛，称为羟醛缩合反应。

如2CH3CH2CHO

6．格林试剂延长碳链

卤代烃与金属镁在无水乙醚中反应，可得格林试剂R—MgX，它可与醛、酮等羰基化合物加成：

＋R—MgX―→

二、逆合成分析法

1．逆向合成分析法

（1）方法：

采取从产物逆推出原料，设计合理的合成路线的方法。

图示：

目标化合物中间有机化合物原始原料。

（2）一般程序

—

　　　　　　↓

—

　　　　↓

—

2．利用逆推法设计苯甲酸苯甲酯的合成路线

（1）观察目标分子的结构

（2）逆推原料分子

（3）设计合成路线（设计四种不同的合成路线）

②

（4）评价优选合成路线

路线①由甲苯分别制备苯甲醇和苯甲酸较合理。

路线②④制备苯甲酸的步骤多、成本较高，且使用较多的Cl2，不利于环境保护。

路线③的步骤虽然少，但使用了价格昂贵的还原剂LiAlH4和要求无水操作，成本较高。

有机合成遵循的原则

（1）符合有机合成中原子经济性的要求。

所选择的每个反应的副产物应尽可能少，所要得到的主产物的产率尽可能高且易于分离，避免采用副产物多的反应。

（2）发生反应的条件要适宜，反应的安全系数要高，反应步骤尽可能少而简单。

（3）要按一定的反应顺序和规律引入官能团，必要时应采取一定的措施保护已引入的官能团。

（4）所选用的合成原料要绿色化且易得、经济；所选用的试剂与催化剂无公害性。

例4　以和为原料合成请用合成反应的流程图表示出最合理的合成方案（注明必要的反应条件）。

提示：

①

②RCH2CH===CH2＋Cl2RCHClCH===CH2＋HCl；

③合成反应流程图示例如下（无机试剂可任选）：

ABC……→H

【考点】　有机合成路线的设计

【题点】　逆向合成分析法

答案

解析　本题可用逆合成法解答，其思维过程为：

→……→→……→

其逆合成分析思路为：

由此确定可按以上6步合成

例5　现有溴、浓硫酸和其他无机试剂，请设计出由―→的正确合成路线。

答案　

解析　本题中需要保护原有官能团碳碳双键，在设计合成路线时，可以暂时使碳碳双键发生加成反应，等引入新的官能团后，再通过消去反应生成碳碳双键。

方法规律——有机合成中常见官能团的保护

（1）酚羟基的保护：

因酚羟基易被氧化，所以在氧化其他基团前可以先使其与NaOH溶液反应，把—OH变为—ONa（或使其与ICH3反应，把—OH变为—OCH3）将其保护起来，待氧化后再酸化将其转变为—OH。

（2）碳碳双键的保护：

碳碳双键也容易被氧化，在氧化其他基团前可以利用其与HCl等的加成反应将其保护起来，待氧化后再利用消去反应转变为碳碳双键。

（3）氨基（—NH2）的保护：

如在对硝基甲苯对氨基苯甲酸的过程中应先把—CH3氧化成—COOH之后，再把—NO2还原为—NH2。

防止当KMnO4氧化—CH3时，—NH2（具有还原性）也被氧化。

1．以氯乙烷为原料制取乙二酸（HOOC—COOH）的过程中，要依次经过下列步骤中的（　　）

①与NaOH的水溶液共热　②与NaOH的醇溶液共热

③与浓硫酸共热到170℃　④在催化剂存在的情况下与氯气反应　⑤在Cu或Ag存在的情况下与氧气共热　⑥与新制的Cu（OH）2悬浊液共热

A．①③④②⑥B．①③④②⑤

C．②④①⑤⑥D．②④①⑥⑤

【考点】　有机合成路线的设计

【题点】　逆向合成分析法

答案　C

解析　采取逆向分析可知，乙二酸→乙二醛→乙二醇→1,2二氯乙烷→乙烯→氯乙烷。

然后再逐一分析反应发生的条件，可知C项设计合理。

2．（2018·沈阳期中）有下列几种反应类型：

①消去　②取代　③氧化　④加成　⑤还原　⑥水解，用丙醛制取1,2丙二醇（），按正确的合成路线依次发生的反应所属类型不可能是（　　）

A．⑤①④⑥B．④①④②

C．⑤①④②D．⑤③⑥①

【考点】　有机合成路线的设计

【题点】　逆向合成分析法

答案　D

解析　用丙醛制取1,2丙二醇（），由结构变化可知是从消除—CHO到引入2个—OH，则合成路线可以为a.先发生丙醛与氢气加成