《有机化合物的合成》课件（鲁科版选修5）

课件39张PPT。第3章 有机合成及其应用 合成高分子化合物第1节有机化合物的合成 自1828年德国化学家维勒人工合成尿素以来,人类运用有机化学手段合成出许许多多自然界里存在的物质,也创造性地合成出许许多多自然界里没有的物质!有机合成的产物被广泛地应用于农业、轻工业、重工业和国防工业中。正如著名的有机合成化学家伍德沃德(R.B.Woodward)所说,有机合成的威力体现为在“老的自然界”旁边再建立起一个“新的自然界”。
在你的学习、生活中,你体会到有机合成的重要性了吗? 你曾思考过合成有机化合物需要考虑哪些问题吗? 有机合成是有机化学中最令人关注的领域。①从染料、炸药、农药和医药的合成,②塑料、合成橡胶和合成纤维等高分子化合物的合成,②具有生物活性的一系列天然产物的全合成,无一不在改变着物质世界的面貌。
　　
经过多年来的科学实践,有机合成已经建立起一整套科学方法和工作程序：对于自然界里已经存在的有机化合物,可以①先测定其结构,②再设计一定的合成路线合成它们;也可以修改它们的结构、改良它们的性能,使它们更好地适应现代人类生产、生活的需要。而当人们需要某种自然界里不存在的、具有特殊性质或功能的有机化合物时,则要先明确这种有机化合物应该具备什么样的结构,再进行合成工作。 在进行合成工作时,首先要进行合成路线设计,其核心在于构建目标化合物分子的碳骨架,引人所必需的官能团;然后根据可行的合成路线和步骤合成样品,并对其进行分离纯化;最后对纯化了的样品进行结构测定,试验其性质或功能。如果制得了所需的有机化合物,就可进行大量合成;否则,需审查原来的合成路线并予以改进或重新设计。 任何有机化合物的分子都是由特定碳骨架构成的,构建碳骨架是合成有机化合物的重要任务。一、有机合成的关键——碳骨架的构建和官能团的引入1.碳骨架的构建构建碳骨架：包括在原料分子及中间化合物分子的碳骨架上增长或减短碳链、成环或开环等。 有机合成所用的有机原料物分子中的碳原子数若小于目的物分子中的碳原子数,在合成中就需要增长碳链。增长碳链是通过一定的化学反应来实现的,其中卤代烃的取代反应就可用于增长碳链。增长碳链 例如,溴乙烷与氰化钠的乙醇溶液共热时,溴原子被氰基取代而生成氰化物；该氰化物在酸性条件下水解,可以得到分子比溴乙烷分子多一个碳原子的丙酸。这一转化可表示为：又如,溴乙烷和丙炔钠反应可以制得分子中增加两个碳原子的炔烃。 在你所学习过的反应中,醛、酮的加成反应也是可以增长碳链的有效途径。例如,醛、酮与氢氰酸的加成 反应以及醛的羟醛缩合反应等均能增长碳链。
1.请举例说明并写出相关反应的化学方程式。
2.与同学们交流讨论：这些反应是如何实现碳链增长的? 碳链的减短在有机合成中也有所应用。烯烃、炔烃的氧化反应是减短碳链的有效途径。羧酸或羧酸盐脱去分子中的羧基放出二氧化碳的反应也可使分子中碳链减短,得到比羧酸盐少一个碳原子的烷烃。例如,无水醋酸钠与碱石灰(氢氧化钠与氧化钙的混合物)共热脱去羧基生成甲烷 碳链的减短2.官能团的引入与转化 关于官能团相互转化的基本反应,你在前面的有关章节里已经 学习过。请与同学们从以下几个方面对所学知识进行整理,以丙烯为起始物列出相应的实例。
示例:在分子中引入碳碳双键的途径为:在碳链上引入羧基的途径在碳链上引入卤原子的途径在碳链上引入羟基的途径在碳链上引入羰基的途径在分子中引入碳碳叁键的途径 官能团的转化在有机合成中极为常见,可以通过取代、消去、加成、氧化、还原等反应来实现。卤代烃在官能团的转化中占有重要的地位。 取一支试管,滴入10-15滴溴乙烷，再加入1mL5%的NaOH溶液,充分振荡、静置,待液体分层后,用滴管小心吸取10滴上层液体,移入另一支盛有1mL稀硝酸(2mol·L-1)的试管中,然后加入2-3滴2%的AgN03溶液,观察现象。分子中卤素原子转化成羟基的反应 饱和卤代烃易与NH3、C2H5ONa、CH3C≡CNa, NaCN等发生取代反应,而使卤代烃的官能团发生转化或使卤代烃的碳骨架增长;具有β-H的饱和卤代烃还可以发生消去反应转变为不饱和烃。因此,卤代烃在有机合成中起着重要的作用,被称为有机合成的“桥梁”。 近年来人们逐渐认识到,许多卤代烃会对环境和人体产生严重的危害,因此卤代烃在有机合成中的应用范围开始受到限制。现在,人们正在对原料、试剂和中间产物涉及到危害较大的卤代烃的合成路线进行积极的改造。卤代烃与有机合成 溴乙烷在氢氧化钠存在下加热与水反应时,溴乙烷的官能团——溴原子转化成了乙醇的官能团——羟基。 溴乙烷与氢氧化钠的乙醇溶液共热时,溴乙烷消去溴化氢生成乙烯:溴乙烷的官能团——溴原子转化成了乙烯的官能团——碳碳双键 图3-1-3表示的是以乙烯为起始物,通过一系列化学反应实现某些官能团间的相互转化。 另外注意： C=C与高锰酸钾的反应 有α—H的醛、酮的自身加成 醛、酮与格氏试剂的反应二、有机合成路线的设计 设计有机合成的路线,可以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。 在这样的有机合成路线设计中,首先要比较原料分子和目标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目标分子的合成路线。有机合成路线设计例题：卡托普利(Captopril)为血管紧张素抑制剂,临床上用于 治疗高血压和充血性心力衰竭。文献共报道了10条合成该物质的路线,其中最有价值的是以2-甲基丙烯酸为原料,通过4步反应得到目标化合物。各步反应的产率如下:
请计算一下该合成路线的总产率是多少? 设计有机合成的路线,还可以从目标分子开始采用逆推的方法 来完成。 1964年柯里(E.J.Corey)首先用逆推的方式设计合成路线。所谓逆推法就是采取从产物逆推出原料,设计合理的合成路线的方法。在逆推过程中,需要逆向寻找能顺利合成目标分子的中间有机化合物,直至选出合适的起始原料。只要每步逆推是合理的,就可以得出科学的合成路线。逆推法 科里出生于美国, 1945年进入美国麻省理工 学院学习,1951年获得博士学位,现任哈佛大学教 授。他于1967年提出了“逆合成分析原理”,将有 机合成路线设计技巧艺术地变成了有严格思维逻辑的科学,并利用电子计算机来设计有机合成路线, 开创了计算机辅助有机合成的新纪元。他所提出的有机合成理论及方法,促进了有机合成化学的飞速发展,因而获得了1990年 诺贝尔化学奖。 以草酸二乙酯的合成为例,说明“逆合成分析法”在有机合成中的应用 (1)草酸二乙酯分子中含有两个酯基,按照酯化反应的规律我们将酯基断开,可以得到草酸(乙二酸)和两分子的乙醇。说明目标化合物可由两分子的乙醇和草酸通过酯化反应得到。 (2)根据我们学过的知识,羧酸可以由醇氧化得到,草酸的前一步的中间体应该是乙二醇。(4)乙醇可以通过乙烯与水的加成得到。 (3)乙二醇的前一步中间体是1,2-二氯乙烷, 1,2-二氯乙烷则可以通过乙烯的加成反应而得到。 根据以上逆合成分析,可以确定合成草酸二乙酯的基础原料为乙烯,通过以下五步反应合成: 当得到几条不同的合成路线时,就需要通过优选确定最佳合成路线。在优选合成路线时,必须考虑合成路线是否符合化学原理,以及合成操作是否安全可靠等问题。优选合成路线 为了实现社会的可持续发展,绿色合成的思想已成为人们优选方案的重要指导思想。绿色合成的主要出发点是: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。绿色合成 1991年美国著名有机化学家特劳斯特(B.M.Trost )提出原子经济性概念,认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子,使反应达到零排放。原子经济性可以用原子利用率来衡量: 原子经济 2000多年前,希腊生理学家和医学家希波克拉底(Hippocrates) 就已发现,杨树、柳树的皮和叶中含有能镇痛和退热的物质。后来的研究得知,这种物质是邻羟基苯甲酸,俗名为水杨酸。案例:利用逆推法设计乙酰水杨酸的合成路线 为了改善水杨酸的疗效,德国化学家霍夫曼(Hoffmann)合成出乙酰水杨酸。到目前为止,以乙酰水杨酸为主要成分的阿司匹林 (Aspirin)的应用历史已有百年,阿司匹林已成为世界上应用最广泛的解热、镇痛和消炎药,它的主要作用在于选择性地使人体细胞内的环氧化酶乙酰化,抑制环氧化酶的活性,从而影响下丘脑中强致热因子——前列腺素的合成,使体温中枢恢复调节体温的正常功能。 乙酰水杨酸(邻乙酰氧基苯甲酸)为白色结晶或结晶性粉末,无臭, 味微酸,易溶于乙醇,溶于氯仿和乙醚等有机溶剂,微溶于水。以水杨酸为起始物合成乙酰水杨酸的反应为:乙酰水杨酸有这么重要的应用价值,你计划通过怎样的合成路线来制备它呢? 选用其他起始物的合成路线可以利用逆推法进行设计。观察乙酰水杨酸的结构: 在苯环两个相邻的位置上分别有一个羧基和一个乙酰氧基,乙酰氧基连同苯环相当于乙酸苯酚酯结构 水杨醛可以用苯酚作为原料,在氯仿和氢氧化钠的作用下,直接向苯环上引入甲酰基而制得。水杨醛在一定条件下还可以被氧化成水杨酸。 在工业上,用苯酚为原料制得苯酚钠,再由干燥的苯酚钠与二氧化碳在加温、加压下生成邻羟基苯甲酸钠,将邻羟基苯甲酸钠酸化便得到水杨酸,其转化关系为:由苯酚制备水杨醛和水杨酸 对上述过程中所设计的不同合成路线进行评价,优选其中比较合理的路线。 ③由于水杨酸可以从杨树、柳树以及滨蒿等植物中获得,所以也可以从这些植物中直接提取水杨酸来合成乙酰水杨酸。这样做,虽然可以减少乙酰水杨酸的合成步骤,但原料不易大批量获得,只能进行小规模生产。 ②工业上常采用由苯酚制得水杨酸,进而合成乙酰水杨酸的路线。这种合成路线原料易得,工艺相对简单,适于大规模生产。 ①邻甲基苯酚上的甲基氧化为羧基时,所用的氧化剂(如酸性KMnO4溶液)也能将酚羟基氧化,因此需要在氧化甲基前将酚羟基转化为不能被轧氧化基团,在氧化甲基后再把它还原出来。由于此过程较为复杂,因此一般不采用此合成路线合成水杨酸。 逆推法合成设计是一种重要的思想方法。自这种设计方法诞生以来, 有机化学家们借助此法完成了一系列重要合成,如长叶松烯和海葵毒素的合成等,大大推动了有机合成的发展。 请与同学们交流研讨：环氧乙烷的哪条合成路径更符合绿色合成思想? 请与同学们交流研讨:在上述合成过程中,碳骨架是如何构建的?官能团是如何转化的?2.环氧乙烷的工业生产中,经典的氯代乙醇法为近代工业方法为: 有机合成是化学学科中最活跃、最具创造性的领域。迄今为止,人类已知的3700多万种物质中, 95%以上为有机化合物,而这些有机化合物大多数是由人工合成的。三、有机合成的应用 通过有机合成制得的许多药物、 材料、催化剂广泛地应用于农业(如高效低毒杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长刺激素等)、轻工业(如医药、染料、香料、涂料、合成塑料、黏合剂、表面活性剂等)、重工业(如工程塑料、合成橡胶、发动机燃料及添加剂等)、国防工业(如炸药、高能燃料、特殊合成材料等)等众多领域。例如,在国防领域人们提出,若在立方烷分子上连接尽量多的硝基则可以得到比TNT (三硝基甲苯)爆炸威力大得多的物质。在此思想的指导下,经过反复实验,终于制得了被称为“超级炸药”的八硝基立方烷[分子式为C8(N02)8]。 在化学基础研究方面,有机合成也是一个重要的工具。例如,对有机化合物分子结构的研究结果,往往要用有机合成来最后鉴定;研制新的、具有特定性能的物质,往往要靠大量的合成工作来筛选;系统认 有机化合物的物理、化学性质,往往需要利用有机合成的手段;许多有机化学的基本理论以及新反应、新方法,是在大量有机合成实验的基础 上发展起来的,并且要靠有机合成来证实和检验;对生命奥秘的探索与具有生理活性的生物高分子的合成密切相关。26