化学人教版（2019）选择性必修3 3.5.3有机合成路线的设计与实施（共29张ppt)

(共29张PPT)
网
科
第五节 有机合成
第三章 烃的衍生物
3.5.3 有机合成路线的设计与实施
学习目标
教材内容：P84-89
1.了解有机合成的基本过程和基本原则。
2.认识逆向合成法的思维方法理解逆向合成法在有机合成中的应用，知道“绿色合成”原则。
3.体会有机合成在创造新物质、提高人类生活质量及促进社会发展方面的重要贡献。培养科学态度与社会责任的化学核心素养。
有机合成的发展史
情景引入
知识储备1：根据反应类型来推断官能团
反应类型 可能官能团或原子团
加成反应 苯环、—CHO、
加聚反应
取代反应 —X、—OH、—COOH、—COO—等
消去反应 —X、—OH
酯化反应 —OH、—COOH
水解反应 —X、—COO—、肽键、多糖
缩聚反应 含羧基和羟基、含羧基和氨基
知识储备2：根据有机反应中定量关系推断
(1)烃和卤素单质取代：取代1mol氢原子，消耗1mol卤素单质X2；
(2)碳碳双键 的加成：与H2、Br2、HCl、H2O等加成时按物质的量比1:1加成；
(3)含有机化合物与Na反应时：2mol—OH生成1molH2；
(4)银镜反应时1mol—CHO对应生成2molAg;与新制Cu(OH)2反应时1mol—CHO对应生成1molCu2O;
(5)2mol—COOH与Na2CO3反应时生成1molCO2;1mol—COOH与NaHCO3反应时生成1molCO2
反应条件
浓硫酸、加热
稀硫酸、加热
NaOH水溶液
NaOH醇溶液、加热
H2、催化剂
O2/Cu、加热
Cl2(Br2)/Fe
Cl2(Br2)/光照
知识储备3：由反应条件确定官能团
反应条件 可能官能团或原子团
浓硫酸、加热 醇消去，羧基与羟基酯化
稀硫酸、加热 酯水解、二糖、淀粉水解
NaOH水溶液、加热 —X、—COO—水解
NaOH醇溶液、加热 —X卤代烃消去
H2、催化剂 碳碳双(叁)键、苯环、醛基，酮羰基加成
O2\Cu、加热 醇羟基(同C有H)催化氧化
纯Cl2(Br2)\Fe 苯环取代
纯Cl2(Br2)\光照 烷烃或苯环的烷烃基取代
Br2水 碳碳双(叁)键加成、酚取代(浓溴水)、醛基氧化
银氨溶液，水浴(银镜反应) 醛基(醛类、甲酸、甲酸盐、甲酸某酯)、葡、果、麦氧化
新制Cu(OH)2悬浊液，煮沸 醛基氧化(砖红色沉淀)
NaHCO3溶液 羧基复分解(有CO2气体放出)
优化方案
碳架构建和官能团转化
有机合成路线的确定
关键
关键
思路
反思
有机合成的基本流程
基础：掌握碳骨架构建和官能团转化基本方法
设计与操作：进行合理的设计与选择，
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
副产物
副产物
中间体
中间体
辅助原料
辅助原料
目标化合物
实现分子碳骨架的构建和官能团的转化
1.正向合成分析法（又称顺推法）
此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产物，逐步推向目标化合物。
简单、易得
分析碳骨架和官能团等方面的异同
一、有机合成路线的设计
思考与讨论
(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法生产，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，并以图3-28的形式呈现，分析该合成过程中官能团的变化。
(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。
O2 Cu/Δ
CH2=CH2
CH3CHO
加热、加压
O2/催化剂
加热
O2/催化剂
CH3COOH
CH3CH2OH
加热、加压
H2O/催化剂
49%
34.3%
70%
70%
70%
70%
70%
70%
产率计算——多步反应一次计算
合成路线(1)经历三步反应，总产率应为: 70% x70% x70% = 34.3%，远低于合成路线(2)的70%。
由此可见，在设计有机合成路线时，应尽量减少反应步骤。
教材P85
思考与讨论
对于复杂的有机化合物如何更高效的设计合成路线呢？
中国科学工作者
世界首次合成
结晶牛胰岛素
思考与交流
中间体1
中间体2
原料1
原料2
原料4
原料5
原料3
2.逆向合成分析法（又称逆推法）
采用逆向思维方法，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。
现任哈佛大学教授，伊莱亚斯·詹姆斯·科里，于1967年提出了“逆合成分析原理”，并开创了计算机辅助有机合成新纪元，获得1990年诺贝尔化学奖 。
Elias James Corey,1928-
优先在官能团处、碳杂键（如C—N、C—O）处切断
目标化合物
基本思路：
在目标化合物的适当位置断开相应的化学键，得到中间体；继续断开中间体适当位置的化学键；依次倒推，确定最适宜的基础原料和合成路线。
例如：“逆合成分析法” 研究草酸(乙二酸)二乙酯的合成
C—OC2H5
C—OC2H5
O
O
C— OH
C— OH
O
O
C2H5OH
CH2OH
CH2OH
CH2Cl
CH2Cl
CH2
CH2
基础原料
中间体
目标分子
中间体
CHO
CHO
CH2
CH2
中间体
中间体
C-OC2H5
C-OC2H5
O
O
C-OH
C-OH
O
O
C2H5OH
CH2OH
CH2OH
CH2Cl
CH2Cl
CH2
CH2
CHO
CHO
合成路线图如下：
Cl2
NaOH溶液

O2
Cu/
O2
催化剂/
浓H2SO4

H2O/催化剂
加热加压
顺推法，使用箭头“→”表示每一步反应；
逆推法，常用符号“ ”来表示逆推过程
CHO
CHO
CH2OH
CH2OH
+ O2
Cu/
+ 2H2O
4.
COOH
COOH
CHO
CHO
+ O2
催化剂

5.
COOH
COOH
6.
+ 2C2H5OH
浓H2SO4
△
+ 2H2O
COOC2H5
COOC2H5
合成乙二酸(草酸)二乙酯相关反应：
1.CH2=CH2 + H2O CH3CH2OH
催化剂
高温、高压
2.CH2=CH2 + Cl2 CH2Cl CH2Cl
3.CH2Cl CH2Cl +2 NaOH CH2OH CH2OH+ 2NaCl
H2O
△
点拨：二元合成路线基本上都涉及
卤代烃的水解\消去反应、烯烃的加成反应
酯化(或取代)反应
加成反应
加成反应
水解(或取代)反应
氧化反应
1.有下列几种反应类型：①消去　②加聚　③水解　④加成　⑤酯化　⑥氧化。用乙醇为原料(无机原料任选)制取 ，
按正确的合成路线依次发生的反应所属类型应是(　　)
A．①④③⑥⑤ B．①⑥④③⑤C．①②③⑥⑤ D．⑥①④③⑤
A
解析
为乙二酸与乙醇发生酯化反应制得，因此需要先利用乙醇制备乙二酸，可将乙醇发生消去反应制备乙烯，乙烯再与Br2发生加成反应生成1,2-二溴乙烷，1,2-二溴乙烷在NaOH溶液中发生水解反应生成乙二醇，乙二醇再发生氧化反应生成乙二酸，乙二醇与乙二酸再发生酯化反应生成， 依次发生的反应所属类型为①④③⑥⑤，故答案为A。
对点训练
2．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悬浊液共热后酸化
A．①③④②⑥ B．①③④②⑤ C．②④①⑤⑥ D．②④①⑥⑤
对点训练
C　
【提示】(1)2,3两步反应采用氯气、氢氧化钠，可能腐蚀设备，污染环境；实际工业生产工艺采用氧气和水原料廉价易得、无毒，未使用有毒的氯气，产物易于分离，成本低，无污染.
(2) 2,3两步反应原子利用率小于100%;而实际工业生产工艺都是加成反应，生成唯一产物，原子利用率100%，符合绿色化学.
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。
②CH2＝CH2＋Cl2 CH2ClCH2Cl
③CH2ClCH2Cl＋2NaOH CH2OHCH2OH＋2NaCl
H2O/△
思考与讨论
教材P88
3.设计合成路线的基本原则
(1)尽量选择副反应少，步骤最少的合成路线，以保证较高的产率。总产率=各步反应产率的乘积；
(2)原料、溶剂和催化剂尽可能廉价、易得、低毒、低污染(通常采用4个C以下的单官能团化合物和单取代苯)；
(3)反应条件温和，操作简便，能耗低、产物易于分离提纯；
(4)贯彻“绿色化学”理念,选择最佳合成路线，提高原子利用率， 达到零排放或污染排放少 ,以较低的经济成本和环境代价得到目标产物。
(5)尊重客观事实，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。
HBr
催化剂
CH3CH2Br CH3CH2OH
NaOH溶液
△
原料
其它反应物
反应条件
中间产物
其它反应物
反应条件
产品
例2.
合成路线：
Cl 2
FeCl3
NaOH(aq)
高温高压
高锰酸钾
酸性条件
乙醇
浓硫酸
加热
HI
①引入官能团的顺序和规律
②遵循客观的反应事实
③注意官能团的衍变及保护
④运用有关的提示信息
4.合成路线(反应流程图)书写格式:
例1.
CH2＝CH2
用流程图的方式呈现由 制取 的合成路线
Cl
—OH
—OH
Cl
NaOH/醇
△
溴水
加成反应
消去反应
—Br
—Br
NaOH/H2O
△
—OH
—OH
取代反应
对点训练
【任务三】设计有机合成路线
5.常见的有机物合成路线：
（1）脂肪烃为基础原料到酯的合成路线：
①一元合成路线：
R—CH＝CH2
一卤代烃
一元醇
一元醛
一元羧酸
酯
HX
②二元合成路线：
CH2＝CH2
XH2CCH2X
二元醇
二元醛
二元羧酸
链酯、
环酯、
聚酯
X2
（2）芳香族化合物的合成路线：
芳香酯
①
②
关键： 卤代烃是烃转化为烃的桥梁
1.请设计合理方案用
合成
(无机试剂任选，用反应流程图表示，并注明反应条件)。
看碳架(比对原料与产物),
巧切断
对点训练
2.用2-丁烯、乙烯为原料设计 的合成路线。
看碳架
(比对原料与产物）
巧切断
再切断
……
得原料
得路线
逆合成分析：
+
对点训练
图3-31 实验室进行有机合成使用的一种典型装置
图3-32 工业合成使用的反应釜
恒压滴液漏斗
球形冷凝管
三颈烧瓶
温度计
作用是
冷凝回流
左图是实验室进行有机合成的常用装置,它能够在加热时进行搅拌、 温度监测、加料和冷凝回流等实验操作。规模化的工业生产中多使用体积较大的反应釜。
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能的新物质，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。
6.有机合成的意义：
资料卡片
(6)写出用环戊烷和2 -丁炔为原料制备化合物 的合成路线(其他试剂任选)。
②
看碳架，巧切断
紧扣信息
分析变化
真题再现
非诺洛芬是一种治疗类风湿性关节炎的药物，可通过以下方法合成：
请回答下列问题：
（5）根据已有知识并结合相关信息，写出以
为原料制备
的合成路线流程图（无机试剂任用）
圈出不变
紧扣信息
分析变化
对点训练
写出以苯酚和乙醇为原料制备 的合成路线流程图(无机试剂任用)：
已知(1)
(2)
对点训练
分析方法 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：
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：
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
有机合成的分析方法
小结归纳
(1)分析碳链的变化,如有无碳链的增长或缩短,有无成环或开环。
(2)分析官能团的改变,如引入了什么官能团,是否要注意官能团的保护。
(3)读懂信息,题中的信息可能会成为物质转化中的重要一环,因而要认真分析信息中涉及的官能团(或碳链的结构)与原料、产品或中间产物之间的联系。
(4)可以由原料正向推导产物,也可以从产物逆向推导出原料,也可以从中间产物出发向两侧推导,还可以由原料和产物推导中间产物。
小结归纳
有机合成题的解题思路
(1)芳香烃A的名称是_______，反应③和④的反应类型分别是____ ___、____ ___。
(2)请写出反应⑤的化学方程式___________。吡啶是一种有机碱，请推测其在反应⑤中的作用___________。
(3)对甲氧基乙酰苯胺( )是合成染料和药物的中间体，请写出由苯甲醚 ( )制备对甲氧基乙酰苯胺的合成路线(其他试剂任选)。
1.氟他胺是一种抗肿瘤药，在实验室由芳香烃A制备氟他胺的合成路线如下：
综合思维
顺逆结合
甲苯
取代反应
还原反应
吸收反应产生的HCl提高转化率
对点训练
2. 1,4-环己二醇是生产某些液晶材料和药物的原料,可通过以下路线合成:
请写出各步反应的化学方程式,并指出其反应类型;分析以上合成路线中官能团的转化过程。
对点训练
提示：
酚羟基与羧酸比较难直接反应形成酯基，与酸酐反应容易形成酯基
3.工业上常用水杨醛( )与乙酸酐( )在催化剂存在下加热反应制得香豆素( )。该反应涉及的反应类型有加成反应、_______ 、 _______。
取代反应
消去反应
—
2
CH3COOH
取代反应
消去反应
加成反应
对点训练