3.5.1构建碳骨架 课件（共53张ppt）化学人教版（2019）选择性必修3

(共53张PPT)
第三章 烃的衍生物
第五节 有机合成
第一课时　碳骨架的构建
有机合成材料
密闭头盔由透明聚碳酸酯组成，密闭服由耐高温的防火聚酰胺纤维织物等特殊材料组成。
学习
目标
第1课时
合成任务一构建碳骨架
PART
01
PART
02
认识有机合成的关键是碳骨架的构建和官能团的转化，掌握官能团的引入和转化的一些技巧。
结合已学的有机反应类型来总结归纳，认识有机合成中改变碳骨架的常用方法，为下一步深入学习有机合成打好基础
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。
尼龙、涤纶
炸药
医药
→用化学方法人工合成物质
创造新物质
“水立方”是我国第一个采用ETFE(乙烯—四氟乙烯共聚物)膜材料作为立面维护体系的建筑。
宇航服中应用了一百三十多种新型材料。其中多数是有机合成材料。
人工合成的新型抗禽流感、甲型H1N1病毒的药物--达菲
→科技创造生活，合成造福人类！
有机合成的发展，使人们不仅能通过人工手段合成多种天然有机物，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，有力地推动了材料科学和生命科学的发展。
什么是有机合成？
学习任务一:认识有机合成
自然资源
↓
↓（加工和转化）
↓
功能各异、性能卓越的有机物
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。
如 甲烷、乙烯、丙烯、乙炔，苯、甲苯等
隐形眼镜材料
改造
天然有机化合物
合成
新的有机化合物
制备
天然有机化合物
阿司匹林缓释片
水仙花香料
2.有机合成的意义
①制备天然有机物，弥补自然资源的不足；
②对天然有机物进行局部的结构改造和修饰，使其性能更加完美；
③合成具有特定性质的、自然界并不存在的有机物，以满足人类的特殊需要
中间体1
中间体2
中间体4
官能团转化
官能团
转化
碳骨架构建
官能团
转化
官能团
转化
CH2
H+，H2O
NaCN
Br2
催化剂
H2O
，催化剂
CH2=CH2
CH2-Br
CH2-Br
CH2-CN
CH2
COOH
COOH
CH3CH2OH
COOCH2CH3
CH2
CH2
COOCH2CH3
CH2-CN
中间体3
原料
目标产物
思考交流
对比原料和产物的分子结构，体会每一步在合成中的目的。
【思考】有机合成是如何实现合成目标的？
思维建模
有
机
合
成
流
程
示
意
图
核心
有机合成的一般思路示意图
碳骨架的构建
官能团的转化（引入、消除）
官能团的转化（引入、消除）
有机合成的关键：
(1)碳骨架的构建
(2)官能团的引入
知识储备
采集信息
应用
分析和整合
※会不会做题
※能不能得分
如何做好有机综合题？
※学没学明白
认真审题、规范答题
学习任务二：有机合成的主要任务---构建碳骨架
碳骨架是有机化合物分子的结构基础，进行有机合成时需要考虑碳骨架的形成，包括碳链的增长和缩短、成环等过程。
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.碳链的增长
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炔烃与HCN的加成反应
②醛（或酮）与HCN的加成反应
(1)烯烃(炔烃)或醛、酮与HCN的加成反应——引入氰基，延长碳链
+ HCN
催化剂
+ HCN
催化剂
H
R
C
O
=
CN
R
CH
OH
-
羟基腈
CH2NH2
R
CH
OH
-
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
水解反应
(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
丙烯腈
CH2＝CHCN
H2O，H＋
催化剂
CH2＝CHCOOH
丙烯酸
根据前面所学知识，完成下列反应
催化剂
1.碳链增长：
P83资料卡片
β-羟基醛
α,β-不饱和醛
加成反应
消去反应
（一）构建碳骨架（增长、缩短、成环、开环）
（2）羟醛缩合反应-----分子内含有α-H的醛与醛基加成
催化剂
CH3—C—H
O
α
CH3—CH—CH2CHO
OH
催化剂
△
CH3—CH＝CHCHO＋H2O
α
α
β
β
＋
H
C CHO
H
H
β-羟基醛
加成反应
消去反应
α,β-不饱和醛
含有α H的醛在一定条件下可发生加成反应，生成β 羟基醛，进而发生消去反应。
（2）羟醛缩合反应-----分子内含有α-H的醛与醛基加成
P83资料卡片
n HO-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
18
18
O O
CH3—C—OH+H—O—C2H5 CH3—C—O—C2H5 + H2O
浓H2SO4
C2H5 OH + HO C2H5 C2H5 O C2H5 + H2O
浓H2SO4
140 ℃
1.碳链增长：
①加聚反应
②缩聚反应
O
‖
（一）构建碳骨架（增长、缩短、成环、开环）
链节、单体、聚合度、端基原子或原子团？
(6)由卤代烃增长碳链：
②卤代烃与NaCN的反应
知识拓展
1.碳链增长：
①卤代烃与活泼金属反应
③卤代烃与炔钠的反应
{了解，一般题目会给信息}
（一）构建碳骨架（增长、缩短、成环、开环）
2 R—X + 2Na
R—R + 2 NaX
（武兹反应）
CH3CH2Cl+NaCN→CH3CH2CN+NaCl
H2O , H＋
CH3CH2COOH
CH3C≡CNa+CH3CH2Cl→CH3C≡CCH2CH3+NaCl
2CH3C≡CH+Na 2CH3C≡CNa+H2↑
液氨
（7）由格氏试剂与卤代烃、醛、酮反应增长碳链
R’—Cl
+ RMgCl
R’—R
+ MgCl2
RMgCl
RCl + Mg
无水乙醚
+ RMgCl
—OMgCl
R
H2O
—OH
R
1.碳链增长：
（一）构建碳骨架（增长、缩短、成环、开环）
知识拓展
RMgX
(8)付克烷基化反应
+ Cl-CH2CH3
无水AlCl3
CH2CH3
+ HCl
1.下列反应可使碳链增长的有 (　　)
①加聚反应　②缩聚反应　③酯化反应　
④卤代烃的氰基取代反应　⑤乙酸与甲醇的反应
A.全部　 B.①②③　　C.①③④　 D.①②③④
A
2.如何由CH3CHO合成乳酸CH3CH(OH)COOH
CH3CHO
CH3—CH—CN
OH
H2O,H＋
△
CH3—CH—COOH
OH
HCN
催化剂
3.乙烯是化工生产中重要的基础原料，请以乙烯为基本原料合成正丁醇（CH3CH2CH2CH2OH），写出有关反应的化学方程式
已知：
R—C—H＋R'—CH—CHO
O
H
OH
R—CH—CH—CHO
R'
－H2O
△
R—CH＝C—CHO
R'
【解析】
CH2＝CH2
H2O
催化剂/△
CH3CH2OH
Cu/O2
△
CH3CHO
CH3—CH—CH2CHO
OH
- H2O
△
CH3—CH＝CHCHO
＋H2
Ni/△
CH3—CH2—CH2—CH2—OH
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）与高锰酸钾发生氧化反应
（2）酯的水解反应
2.碳链的缩短
（一）构建碳骨架（增长、缩短、成环、开环）
①烯烃被KMnO4/H+氧化
②炔烃被KMnO4/H+氧化
③芳香烃侧链被KMnO4/H+氧化
(1)烷烃的分解反应(烃的裂化、裂解)
(2)酯的水解反应
CH3COOC2H5＋H2O CH3COOH＋C2H5OH
稀硫酸
△
稀硫酸
△
CH2
O
C
O
C17H35
CH
O
C
O
C17H35
CH2
O
C
O
C17H35
C17H35COOH ＋
　CH2OH
CHOH
CH2OH
3
＋3H2O
C4H10 CH4+C3H6
△
C4H10 C2H6+C2H4
△
2.碳链的缩短
(3)烯烃、炔烃及芳香烃的侧链被KMnO4(H+)溶液氧化。
CH3CH=CH2
KMnO4(H+)
CH3C≡CH
KMnO4(H+)
①烯烃双键碳上有两个H产物是CO2；双键碳上有一个H产物是羧酸；
双键碳上没有H 产物是酮。
CH3COOH + CO2
CH3COOH + CO2
CH3COOH +
②炔烃叁键碳上有一个H产物是CO2；叁键碳上没有H产物是羧酸。
（一）构建碳骨架（增长、缩短、成环、开环）
2.碳链的缩短
①烯烃
二氢成气
一氢成酸
无氢成酮
CH≡C—R
KMnO4
H＋
CO2＋RCOOH
②炔烃
C＝CH—R
R'
R''
KMnO4
H＋
C＝O＋R—COOH
R'
R''
一氢成气
无氢成酸
③芳香化合物的侧链
CH—
R
R'
KMnO4
H＋
HOOC—
与苯环相连的碳原子上至少连有一个氢原子才能被酸性KMnO4氧化。
2.碳链的缩短
(3)烯烃、炔烃及芳香烃的侧链被KMnO4(H+)溶液氧化。
CH3CH=CH2
KMnO4(H+)
CH3C≡CH
KMnO4(H+)
【课堂练习2】
CH3COOH + CO2
CH3COOH + CO2
CH3-CH=C-CH3
CH3
KMnO4(H+)
CH3COOH +
CH3－C－CH3
=
O
P83资料卡片
（一）构建碳骨架（增长、缩短、成环、开环）
3.碳链的成环
(1)共轭二烯烃加成
1
2
3
4
6
5
1
2
3
4
6
5
实质：加成反应
Diels-Alder reaction
(1)共轭二烯烃加成
+
共轭二烯烃（含有两个碳碳双键，且两个双键被一个单键隔开的烯烃，如1,3-丁二烯）与含碳碳双键的化合物在一定条件下发生双烯合成反应（Diels-Alder reaction），得到环加成产物，构建了环状碳骨架。
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
3.碳链的成环
P83资料卡片
CH3
+
△
CH3
H
+
△
H
COOCH3
+
△
①
②
③
完成下列物质发生第尔斯-阿尔德反应的方程式
或
【课堂练习3】
写出由CPD生成DCPD的反化学方程式：
CPD
DCPD
2
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
＋
7.利用环戊二烯(CPD)可以制备金刚烷
金刚烷
H2/Ni
一定条件
巩固练习
CH3
【课堂练习4】
+
△
COOCH3
+
△
COOCH3
COOCH3
COOCH3
CH3
COOCH3
COOCH3
（2）合成环酯
酯化法
3.碳链的成环
(3)合成环醚
分子内脱水
分子间脱水
3.碳链的成环
HOCH2CH2OH ＋H2O
O
冠醚识别碱金属离子(如K＋)。
冠醚，是分子中含有多个-氧-亚甲基-结构单元的大环多醚。常见的冠醚有15-冠-5、18-冠-6，冠醚的空穴结构对离子有选择作用，在有机反应中可作催化剂。
C 原子：2×5 = 10
O 原子：5
10 + 5 = 15
C 原子：2×4 = 8
O 原子：4
8 + 4 = 12
O 原子吸引阳离子。
思考：碱金属离子或大或小，猜想冠醚是如何识别它们的？
冠醚环的大小与金属离子匹配，将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。
冠醚 冠醚空腔 直径/pm 适合的粒子 （直径/pm）
15-冠-5 18-冠-6 21-冠-7 170~220 260~320 340~430 Na+（204） 思考： K+ 直径为276 pm，应该选择哪种冠醚呢？
冠醚能与阳离子尤其是碱金属阳离子作用，并且随环的大小不同而与不同的金属离子作用，将阳离子以及对应的阴离子都带入有机溶剂，因而成为有机反应中很好的催化剂。
冠醚与金属阳离子通过配位作用相结合
（一）构建碳骨架（增长、缩短、成环、开环）
4.碳链的开环
(1)环酯的水解反应:
(2)某些环状烯烃、炔烃的氧化反应:
②Zn/H2O
①O3
OHCCH2CH2CH2CH2CHO
KMnO4(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
碳链的增长
碳链的缩短
碳链的成环
（1）与HCN发生加成反应
（2）羟醛缩合反应
（5）加聚反应
（3）酯化反应
（4）分子间脱水反应
（1）烷烃的分解反应
（3）与高锰酸钾发生氧化反应
（2）酯的水解反应
（1）共轭二烯烃加成
（2）合成环酯
（3）合成环醚
课堂总结——构建碳骨架
碳链的开环
(1)环酯的水解反应
(2)某些环状烯烃的氧化反应
课堂总结
【课堂练习5】
1.下列反应可以使碳链增长的是( )
A.CH3CH2CH2CH2Br与NaCN共热
B.CH3CH2CH2CH2Br与NaOH的乙醇溶液共热
C.CH3CH2CH2CH2Br与NaOH的水溶液共热
D.CH3CH2CH2CH3(g)与Br2（g）光照
2.下列反应可以使碳链减短的是( )
A.持续加热乙酸钠和碱石灰的混合物
B.裂化石油制取汽油
C.乙烯的聚合反应
D.溴乙烷与氢氧化钾的乙醇溶液共热
A
AB
1.化合物丙是合成一种医药的中间体，可以通过如图反应制得。
下列说法正确的是
C
A．乙的分子式为C5H10O2
B．甲的一氯代物有4种(不考虑立体异构)
C．乙可以发生取代反应、加成反应
D．丙不能使酸性高锰酸钾溶液褪色
巩固练习
巩固练习
2．在有机合成中，有时需要通过减短碳链的方式来实现由原料到目标产物的转化，某同学设计的下列反应中，可成功实现碳链减短的
A．乙烯的聚合反应 B．烯烃与酸性KMnO4溶液的反应
C．酯化反应 D．卤代烃与NaCN的取代反应
B
巩固练习
3．下列反应可使碳链增长的有
①加聚反应　②缩聚反应　③酯化反应　
④卤代烃的氰基取代反应　⑤乙酸与甲醇的反应
A．全部　 B．①②③　　 C．①③④　 D．①②③④
A
4．已知卤代烃可以和钠发生反应。例如溴乙烷与钠发生反应为2CH3CH2Br＋2Na―→CH3CH2CH2CH3＋2NaBr应用这一反应，下列所给出的化合物中可以与钠反应合成环丁烷： 的是 (　　)
A．CH3Br　　　　　 B．CH3CH2CH2CH2Br
C．CH2BrCH2Br D．CH3CHBrCH2CH2Br
C
巩固练习
巩固练习
5.下列结构中不能成环的是（ ）
C
6.已知：
，如果通过一步反应合成
所用的原料可以是( )
①1，3-丁二烯和2-丁炔
②1，3-戊二烯和2-丁炔
③2，3-二甲基-1，3-丁二烯和乙炔
④2，4-己二烯和乙炔
A．①③ B．②③ C．②④ D．①④
A
巩固练习
写出由CPD生成DCPD的反化学方程式：
CPD
DCPD
2
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
＋
7.利用环戊二烯(CPD)可以制备金刚烷
金刚烷
H2/Ni
一定条件
巩固练习
8.卤代烃可以与金属反应，形成金属有机化合物。其中最负盛名的有机镁试剂，它是由法国化学家格利雅(V.Grignard)于1901年发现的，故称格氏试剂。它的制法为
RX + Mg
RMgX
RMgX与其他物质(如卤代烃、醛等)反应可以实现碳链的增长，得到烃、醇、羧酸等多种有机化合物。如：
RMgX+R CHO →
用乙烯和适当的无机物合成乙酸异丁酯
的过程如下(反应条件没有列出)
，写出A、B、C、D、E、F的结构简式：