3.5.2有机合成路线的设计与实施 课件（共32张PPT）
文档属性
| 名称 | 3.5.2有机合成路线的设计与实施 课件（共32张PPT） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 3.1MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-02-16 22:09:17 | ||
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文档简介
(共32张PPT)
第三章 烃的衍生物
第五节 有机合成
第2课时 有机合成路线的设计与实施
有机合成的发展，使人们不仅能通过人工手段合成原本只能从生物体内分离、提取的天然产物，还可以根据实际需要设计合成具有特定结构和性质的新物质，为化学、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进步。
学习目标
结合碳骨架的构建及官能团衍变过程中的反应规律，能利用反应过滤进行有机物的推断与合成。
1.有机合成路线确定的要素
（1）基础：在掌握碳骨架构建和官能团转化基本方法的基础上。
（2）设计与操作：进行合理的设计与选择，确定合成路线，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。
学习探究
（1）从原料出发设计合成路线的方法步骤（正向设计图示）
2.有机合成的基本方法
基础原料通过有机反应形成一段碳链或连上一个官能团，合成第一个中间体；在此基础上，利用中间体的官能团，加上辅助原料，进行第二步反应，合成出第二个中间体……经过多步反应，最后得到具有特定结构和功能的目标化合物。
（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
＋H2O
催化剂/△
CH3CH2OH
O2/Cu
△
CH3CHO
CH3COOH
O2
催化剂/△
70%
70%
70%
（2）目前已经出现了将乙烯直接氧化生成乙酸的工艺。假定该工艺涉及的反应和（1）中合成路线的每一步反应的产率均为70%，请计算并比较这两种合成路线的总产率。
思考与讨论：
（1）中合成路线生成CH3COOH的产率为70%×70%×70%＝34.3%，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，以提高产率。
除了上述从原料出发来分析合成路线，还可以从目标化合物出发进行逆合成分析，这是设计复杂化合物合成路线时常用的方法。它的基本思路是在目标化合物的适当位置断开相应的化学键，目的是使得到的较小片段所对应的中间体经过反应可以得到目标化合物；接下来继续断开中间体适当位置的化学键，使其可以从更上一步的中间体反应得来；依次倒推，最后确定最适宜的基础原料和合成路线。
（2）从目标化合物出发逆合成分析法的基本思路（逆向设计图示）
基本思路是在目标化合物的适当位置断开相应的化学键，目的是使得到的较小片段所对应的中间体经过反应可以得到目标化合物；接下来继续断开中间体适当位置的化学键，使其可以从更上一步的中间体反应得来；依次倒推，最后确定最适宜的基础原料和合成路线。可以用符号“ ”表示逆推过程，用箭头“→”表示每一步转化反应。
逆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。解答有机合成题时，首先要正确判断合成的有机物属于哪一类有机物，带有何种官能团，然后结合学过的知识或题给信息，寻找官能团的引入、转化、保护或消去的方法，找出合成目标有机物的关键点。解答这类题时，常用的典型信息有
结构信息——碳骨架、官能团等。
组成信息——相对分子质量、组成基团、元素质量分数等。
反应信息——官能团间的转化关系、结构的转化关系等。
示例：乙烯合成乙二酸二乙酯的合成路线逆向合成图
(用“ ”表示逆推过程)
以上分析过程可表示为:
可以得出正向合成路线图：
合成步骤(用化学方程式表示):
利用逆合成分析法设计有机合成路线的一般程序
以绿色合成思想为指导
目标化合物分子的碳骨架特征，以及官能团的种类和位置
由目标化合物分子逆推原料分子并设计合成路线
目标化合物分子碳骨架的构建，以及官能团的引入或转化
对不同的合成路线进行优选
观察目标化合物分子的结构
思考与讨论：
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因。
路线一：
路线二：
对比两种合成路线，不难发现：首先，从原料成本的角度考虑，路线一使用了C12和NaOH，而路线二使用了O2和H2O，成本更低；其次，从原子利用率的角度考虑，路线一第二步的取代反应有副产物，原子利用率低，而路线二的原子利用率高；最后，从环境保护的角度考虑，路线一使用了有毒的C12和有腐蚀性的NaOH，对环境不够友好。综合考虑以上因素，路线二更为合理。
有机合成的分析方法
方法 内容
正合成分析法 采用正向思维方法，从已知原料入手，找出合成所需要的直接或间接的中间体，逐步推向待合成有机化合物，其思维程序：原料→中间体→产品
逆合成分析法 采用逆向思维方法，从产品的组成、结构、性质入手，找出合成所需要的直接或间接的中间体，逐步推向已知原料，其思维程序：产品→中间体→原料
综合比较法 采用综合思维的方法，将正向或逆向推导出的几种合成途径进行比较，从而得到最佳合成路线
当通过以上方法得到了几条不同的合成路线后，还需要综合多方面因素进行选择，合理规划方案。如合成步骤较少，副反应少，反应产率高；原料、溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒；反应条件温和，操作简便，产物易于分离提纯；污染排放少；等等。在进行有机合成时，要贯彻“绿色化学”理念，选择最佳合成路线，以较低的经济成本和环境代价得到目标产物。
（1）脂肪烃为基础原料到酯的合成路线
3.中学常见的合成路线
（2）芳香族化合物合成路线
①原料溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒性、低污染
②尽量选择步骤最少的合成路线，步骤越少，产率越高。总产率=各步反应产率的乘积
③合成路线要符合“绿色环保”的要求，提高原子利用率，达到零排放或污染排放少
④有机合成反应要操作简单、条件温和、能耗低、产物易于分离提纯
⑤要按一定的反应顺序和规律引入官能团，不能臆造不存在的反应事实，选择最佳合成路线
4.合成路线设计遵循的原则
5.有机合成的发展史
（1）发展过程
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。
（2）有机合成发展的作用
①使人们能通过人工手段合成原本只能从生物体内分离、提取的天然产物。
②使人们可以根据实际需要设计合成具有特定结构和性能的新物质。
③为化学、生物、医药、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。
④有力地促进了人类健康水平提高和社会发展进步。
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。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，罗宾逊改进了合成思路，仅用3步反应便完成合成。总产率达90%。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，促进了有机合成技术和有机反应理论的发展；科里提出了系统化的逆合成概念，开始利用计算机辅助设计合成路线，让合成路线的设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。
颠茄酮
维生素B12
颠茄酮和维生素B12的分子结构
学习小结
1．有机化合物分子中能引入卤素原子的反应是( )
A．消去反应 B．酯化反应
C．水解反应 D．取代反应
解析：消去反应主要是消去原子或原子团，形成双键或三键，A项错误；酯化反应是羧酸与醇生成酯和水的反应，不可能引入卤素原子，B项错误；水解反应是与水反应，不可能引入卤素原子，C项错误；烷烃或芳香烃的取代反应均可引入卤素原子，D项正确。
D
学习检测
2．下列反应可以在烃分子中引入碳卤键的是( )
A.苯和溴水共热
B.甲苯蒸气与溴蒸气在光照条件下混合
C.溴乙烷与NaOH的水溶液共热
D.溴乙烷与NaOH的醇溶液共热
B
解析：苯和溴水共热不反应，A项错；甲苯蒸气与溴蒸气在光照条件下混合发生甲基上的取代反应，引入碳溴键，B项正确；C、D项分别为溴原子的取代和消去，C、D项均错。
3．可在有机化合物中引入羟基的反应类型是( )
①取代反应 ②加成反应 ③消去反应 ④酯化反应 ⑤还原反应
A.只有①② B.①②⑤ C.①④⑤ D.①②③
B
解析：卤代烃的水解反应(取代反应)可以得到羟基，碳碳双键与水的加成反应可以引入羟基，醛基与氢气发生加成反应(还原反应)生成羟基；消去反应、酯化反应不能引入羟基。
4.由乙烯和其他无机原料合成环状化合物E的流程如下:
（1）请写出下列物质的结构简式。
A ; B ;
C ; D 。
（2）写出A水解的化学方程式: 。
（3）从有机合成的主要任务角度分析,上述有机合成最突出的特点是 。
答案：（1）BrCH2—CH2Br(或ClCH2—CH2Cl等合理即可) HOCH2—CH2OH
OHC—CHO HOOC—COOH
（2）BrCH2—CH2Br+2NaOH HOCH2—CH2OH+2NaBr(合理即可)
（3）官能团的相互转化
解析：本题为有机合成推断题，解题的关键是熟练掌握烃和烃的衍生物之间的相互转化，即官能团的相互转化。由基础原料乙烯和目标化合物E(一种环状酯)综合考虑，与乙烯发生加成反应的物质应该是溴水(或氯气等)，首先乙烯与溴加成得到1,2-二溴乙烷，再水解得到乙二醇，然后氧化为乙二醛，进而氧化为乙二酸，最后乙二酸与乙二醇发生酯化反应得到E。
本节内容结束
第三章 烃的衍生物
第五节 有机合成
第2课时 有机合成路线的设计与实施
有机合成的发展，使人们不仅能通过人工手段合成原本只能从生物体内分离、提取的天然产物，还可以根据实际需要设计合成具有特定结构和性质的新物质，为化学、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进步。
学习目标
结合碳骨架的构建及官能团衍变过程中的反应规律，能利用反应过滤进行有机物的推断与合成。
1.有机合成路线确定的要素
（1）基础：在掌握碳骨架构建和官能团转化基本方法的基础上。
（2）设计与操作：进行合理的设计与选择，确定合成路线，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。
学习探究
（1）从原料出发设计合成路线的方法步骤（正向设计图示）
2.有机合成的基本方法
基础原料通过有机反应形成一段碳链或连上一个官能团，合成第一个中间体；在此基础上，利用中间体的官能团，加上辅助原料，进行第二步反应，合成出第二个中间体……经过多步反应，最后得到具有特定结构和功能的目标化合物。
（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
＋H2O
催化剂/△
CH3CH2OH
O2/Cu
△
CH3CHO
CH3COOH
O2
催化剂/△
70%
70%
70%
（2）目前已经出现了将乙烯直接氧化生成乙酸的工艺。假定该工艺涉及的反应和（1）中合成路线的每一步反应的产率均为70%，请计算并比较这两种合成路线的总产率。
思考与讨论：
（1）中合成路线生成CH3COOH的产率为70%×70%×70%＝34.3%，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，以提高产率。
除了上述从原料出发来分析合成路线，还可以从目标化合物出发进行逆合成分析，这是设计复杂化合物合成路线时常用的方法。它的基本思路是在目标化合物的适当位置断开相应的化学键，目的是使得到的较小片段所对应的中间体经过反应可以得到目标化合物；接下来继续断开中间体适当位置的化学键，使其可以从更上一步的中间体反应得来；依次倒推，最后确定最适宜的基础原料和合成路线。
（2）从目标化合物出发逆合成分析法的基本思路（逆向设计图示）
基本思路是在目标化合物的适当位置断开相应的化学键，目的是使得到的较小片段所对应的中间体经过反应可以得到目标化合物；接下来继续断开中间体适当位置的化学键，使其可以从更上一步的中间体反应得来；依次倒推，最后确定最适宜的基础原料和合成路线。可以用符号“ ”表示逆推过程，用箭头“→”表示每一步转化反应。
逆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。解答有机合成题时，首先要正确判断合成的有机物属于哪一类有机物，带有何种官能团，然后结合学过的知识或题给信息，寻找官能团的引入、转化、保护或消去的方法，找出合成目标有机物的关键点。解答这类题时，常用的典型信息有
结构信息——碳骨架、官能团等。
组成信息——相对分子质量、组成基团、元素质量分数等。
反应信息——官能团间的转化关系、结构的转化关系等。
示例：乙烯合成乙二酸二乙酯的合成路线逆向合成图
(用“ ”表示逆推过程)
以上分析过程可表示为:
可以得出正向合成路线图：
合成步骤(用化学方程式表示):
利用逆合成分析法设计有机合成路线的一般程序
以绿色合成思想为指导
目标化合物分子的碳骨架特征，以及官能团的种类和位置
由目标化合物分子逆推原料分子并设计合成路线
目标化合物分子碳骨架的构建，以及官能团的引入或转化
对不同的合成路线进行优选
观察目标化合物分子的结构
思考与讨论：
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因。
路线一：
路线二：
对比两种合成路线，不难发现：首先，从原料成本的角度考虑，路线一使用了C12和NaOH，而路线二使用了O2和H2O，成本更低；其次，从原子利用率的角度考虑，路线一第二步的取代反应有副产物，原子利用率低，而路线二的原子利用率高；最后，从环境保护的角度考虑，路线一使用了有毒的C12和有腐蚀性的NaOH，对环境不够友好。综合考虑以上因素，路线二更为合理。
有机合成的分析方法
方法 内容
正合成分析法 采用正向思维方法，从已知原料入手，找出合成所需要的直接或间接的中间体，逐步推向待合成有机化合物，其思维程序：原料→中间体→产品
逆合成分析法 采用逆向思维方法，从产品的组成、结构、性质入手，找出合成所需要的直接或间接的中间体，逐步推向已知原料，其思维程序：产品→中间体→原料
综合比较法 采用综合思维的方法，将正向或逆向推导出的几种合成途径进行比较，从而得到最佳合成路线
当通过以上方法得到了几条不同的合成路线后，还需要综合多方面因素进行选择，合理规划方案。如合成步骤较少，副反应少，反应产率高；原料、溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒；反应条件温和，操作简便，产物易于分离提纯；污染排放少；等等。在进行有机合成时，要贯彻“绿色化学”理念，选择最佳合成路线，以较低的经济成本和环境代价得到目标产物。
（1）脂肪烃为基础原料到酯的合成路线
3.中学常见的合成路线
（2）芳香族化合物合成路线
①原料溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒性、低污染
②尽量选择步骤最少的合成路线，步骤越少，产率越高。总产率=各步反应产率的乘积
③合成路线要符合“绿色环保”的要求，提高原子利用率，达到零排放或污染排放少
④有机合成反应要操作简单、条件温和、能耗低、产物易于分离提纯
⑤要按一定的反应顺序和规律引入官能团，不能臆造不存在的反应事实，选择最佳合成路线
4.合成路线设计遵循的原则
5.有机合成的发展史
（1）发展过程
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。
（2）有机合成发展的作用
①使人们能通过人工手段合成原本只能从生物体内分离、提取的天然产物。
②使人们可以根据实际需要设计合成具有特定结构和性能的新物质。
③为化学、生物、医药、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。
④有力地促进了人类健康水平提高和社会发展进步。
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。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，罗宾逊改进了合成思路，仅用3步反应便完成合成。总产率达90%。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，促进了有机合成技术和有机反应理论的发展；科里提出了系统化的逆合成概念，开始利用计算机辅助设计合成路线，让合成路线的设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。
颠茄酮
维生素B12
颠茄酮和维生素B12的分子结构
学习小结
1．有机化合物分子中能引入卤素原子的反应是( )
A．消去反应 B．酯化反应
C．水解反应 D．取代反应
解析：消去反应主要是消去原子或原子团，形成双键或三键，A项错误；酯化反应是羧酸与醇生成酯和水的反应，不可能引入卤素原子，B项错误；水解反应是与水反应，不可能引入卤素原子，C项错误；烷烃或芳香烃的取代反应均可引入卤素原子，D项正确。
D
学习检测
2．下列反应可以在烃分子中引入碳卤键的是( )
A.苯和溴水共热
B.甲苯蒸气与溴蒸气在光照条件下混合
C.溴乙烷与NaOH的水溶液共热
D.溴乙烷与NaOH的醇溶液共热
B
解析：苯和溴水共热不反应，A项错；甲苯蒸气与溴蒸气在光照条件下混合发生甲基上的取代反应，引入碳溴键，B项正确；C、D项分别为溴原子的取代和消去，C、D项均错。
3．可在有机化合物中引入羟基的反应类型是( )
①取代反应 ②加成反应 ③消去反应 ④酯化反应 ⑤还原反应
A.只有①② B.①②⑤ C.①④⑤ D.①②③
B
解析：卤代烃的水解反应(取代反应)可以得到羟基，碳碳双键与水的加成反应可以引入羟基，醛基与氢气发生加成反应(还原反应)生成羟基；消去反应、酯化反应不能引入羟基。
4.由乙烯和其他无机原料合成环状化合物E的流程如下:
（1）请写出下列物质的结构简式。
A ; B ;
C ; D 。
（2）写出A水解的化学方程式: 。
（3）从有机合成的主要任务角度分析,上述有机合成最突出的特点是 。
答案：（1）BrCH2—CH2Br(或ClCH2—CH2Cl等合理即可) HOCH2—CH2OH
OHC—CHO HOOC—COOH
（2）BrCH2—CH2Br+2NaOH HOCH2—CH2OH+2NaBr(合理即可)
（3）官能团的相互转化
解析：本题为有机合成推断题，解题的关键是熟练掌握烃和烃的衍生物之间的相互转化，即官能团的相互转化。由基础原料乙烯和目标化合物E(一种环状酯)综合考虑，与乙烯发生加成反应的物质应该是溴水(或氯气等)，首先乙烯与溴加成得到1,2-二溴乙烷，再水解得到乙二醇，然后氧化为乙二醛，进而氧化为乙二酸，最后乙二酸与乙二醇发生酯化反应得到E。
本节内容结束