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有机合成路线的
设计与实施
第三章 烃的衍生物
1.能利用碳骨架的构建及官能团转化过程中的反应规律进行有机物的推断与合成(重点)。
2.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，能用“绿色化学”的理念指导合成路线的选择(难点)。
有机合成
合成的任务
构建碳骨架
增长和缩短、成环等过程
官能团的引入、转化、消除及保护
合成路线的设计
原则
成本低、产率高
环境友好、路线短
方法
正向、逆向设计合成路线
有机合成指使用相对简单易得的原料，通过有机化学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。
有机合成的设计方法
碳骨架构建
官能团转化
有机合成路线的确定
进行合理的设计与选择
较低的成本和较高的产率
简便而对环境友好的操作得到目标产物
一、有机合成路线的设计
1.有机合成的分析方法
碳骨架和官能团等方面的异同的比较
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
特点：从原料出发设计合成路线的方法步骤
（1）正向合成分析法（又称顺推法）
【思考与讨论】
CH2=CH2
中间体
H2O
CH3CH2OH
CH3CHO
辅助原料
Cu
辅助原料
H2O、催化剂
CH3COOH
基础原料
中间体
目标化合物
辅助原料
O2、催化剂
官能团的变化
碳碳双键→羟基→醛基→羧基
（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】
（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。
（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%）
CH2=CH2
CH3CH2OH
CH3CHO
CH3COOH
70%
70%
70%
CH2=CH2+O2
CH3COOH
催化剂
70%
因此，合成步骤应尽可能少，以提高产率
目标化合物
中间体1
中间体2
基础原料
以乙二酸二乙酯这种医药和染料工业原料的合成为例，说明有机合成路线的设计和选择。
C
O
C
O
OC2H5
OC2H5
（2）逆向合成分析法
（2）逆向合成分析法
C
O
C
O
OC2H5
OC2H5
C
O
C
O
OH
OH
CH3CH2OH
中间体1
中间体2
中间体3
中间体4
CH2=CH2
CH2
CH2
OH
OH
CH2
CH2
Cl
Cl
CH2=CH2
①
②
③
④
⑤
优先在官能团\碳杂键(如C—O)处切断
合成路线设计：
H2O
催化剂,△,加压
NaOH/水
△
Cl2
催化剂
△
催化剂
△
典例：以乙烯为原料，合成乙二酸二乙酯这种医药和染料工业原料为例，说明有机合成路线的设计和选择。
C
O
C
O
OC2H5
OC2H5
C
O
C
O
OH
OH
CH3CH2OH
CH2
CH2
Cl
Cl
CH2
CH2
OH
OH
CH2=CH2
CH2=CH2
逆合成分析：
合成路线设计：
H2O
催化剂,△,加压
NaOH/水
△
Cl2
催化剂
△
催化剂
△
确定乙二酸二乙酯的基础原料为乙烯，通过以下5步反应完成合成：
CH2=CH2 + H2O
催化剂
Δ ，加压
CH3CH2 OH
1.
CH2=CH2 + Cl2
CH2
CH2
Cl
Cl
2.
CH2
CH2
Cl
Cl
+ 2NaOH
H2O
Δ
CH2
CH2
OH
OH
+ 2NaCl
3.
CH2
CH2
OH
OH
+ 2O2
催化剂
Δ
C
C
HO
OH
O
O
+ 2H2O
4.
+ 2CH3CH2 OH
C
C
HO
OH
O
O
+ 2H2O
催化剂
Δ
C
C
C2H5O
OC2H5
O
O
5.
【思考与讨论】
1.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。
①
②
③
④
⑤
路线二：
路线一：
②CH2=CH2 + Cl2
CH2Cl
—
CH2Cl
③ + 2NaOH
H2O
△
CH2Cl
—
CH2Cl
+ 2NaCl
CH2OH
—
CH2OH
【思考与讨论】
路线一 路线二
原料
原子利用率
环境保护
Cl2、NaOH
O2、H2O，廉价易得
③为取代反应有副产物，原子利用率低。
原子利用率100%
Cl2有毒、 NaOH有腐蚀性的，对环境不够友好
O2、H2O无毒无腐蚀性的，对环境友好
2.设计合成路线的基本原则
(5) 在进行有机合成时，要贯彻“绿色化学”理念等。
(1)步骤较少，副反应少，反应产率高（原子利用率高）；
(2)原料、溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒；
(3)反应条件温和，操作简便，产物易于分离提纯；
(4)污染排放少；
利用逆合成分析法设计有机合成路线的一般程序
观察目标化合物的分子结构
由目标化合物逆推原料分子并设计合成路线
碳骨架特征，官能团种类和位置
碳骨架构建，官能团的引入或转化
对不同的合成路线进行优选
以绿色合成思想为指导
二、有机合成路线的实施
1.一元合成路线
卤代烃
一元醇
一元醛
一元羧酸
酯
HX
R—CH=CH2
R—CH2CH2—X
NaOH水溶液
△
R—CH2CH2—OH
[O]
R—CH2CHO
[O]
R—CH2COOH
醇、浓硫酸
△
2.二元合成路线
二元醇
二元醛
二元羧酸
链酯、环酯、聚酯
X2
CH=CH2
X—CH2CH2—X
NaOH水溶液
△
HO—CH2CH2—OH
[O]
OHC—CHO
[O]
HOOC—COOH
浓硫酸
△
卤代烃
3.芳香族化合物合成路线
CH2OH
NaOH水溶液
△
CHO
[O]
COOH
[O]
芳香酯
浓硫酸
醇、△
Cl
Cl2
FeCl3
②
OH
① NaOH水溶液、 △
② H+
CH3
CH2Cl
光照
Cl2
①
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
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，有机合成技术和效率不断提高，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严密思维逻辑的科学过程。
实验室有机合成常用的装置：
工业化合成使用的反应釜
图3-31 实验室进行有机合成使用的一种典型装置
有机合成路线的基本流程
明确目标化合物的结构
设计合成路线
碳骨架构建和官能团转化
对样品进行结构测定试验其性质或功能
合成目标化合物
大量合成
优化方案
科学性
可行性
安全性
简约性
依据
水杨酸用于治疗关节炎引起的疼痛及流感引起的发热。
副作用
——酸性使胃酸反流，胃部有灼热感，苦不堪言。
费利克斯·霍夫曼
1894年，德国拜耳公司的费利克斯·霍夫曼，改进了水杨酸的结构，制得了
生活中的化学
1897年8月，霍夫曼用水杨酸与乙酸酐制备了阿司匹林
资料在线
1.写出由乳酸(CH3CHOHCOOH) 制备HOOCCOCOOH的路线。
1.写出由乳酸(CH3CHOHCOOH) 制备HOOCCOCOOH的路线。

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