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有機合成路線的
設計與實施
第三章 烴的衍生物
1.能利用碳骨架的構建及官能團轉化過程中的反應規律進行有機物的推斷與合成(重點)。
2.落實有機物分子結構分析的思路和方法，建立對有機反應多角度認識模型，并利用模型進一步掌握有機合成的思路和方法，能用“綠色化學”的理念指導合成路線的選擇(難點)。
有機合成
合成的任務
構建碳骨架
增長和縮短、成環等過程
官能團的引入、轉化、消除及保護
合成路線的設計
原則
成本低、產率高
環境友好、路線短
方法
正向、逆向設計合成路線
有機合成指使用相對簡單易得的原料，通過有機化學反應來構建碳骨架和引入官能團，由此合成出具有特定結構和性質的目標分子。
有機合成的設計方法
碳骨架構建
官能團轉化
有機合成路線的確定
進行合理的設計與選擇
較低的成本和較高的產率
簡便而對環境友好的操作得到目標產物
一、有機合成路線的設計
1.有機合成的分析方法
碳骨架和官能團等方面的異同的比較
基礎原料
輔助原料
副產物
副產物
中間體
中間體
輔助原料
輔助原料
目標化合物
特點：從原料出發設計合成路線的方法步驟
（1）正向合成分析法（又稱順推法）
【思考與討論】
CH2=CH2
中間體
H2O
CH3CH2OH
CH3CHO
輔助原料
Cu
輔助原料
H2O、催化劑
CH3COOH
基礎原料
中間體
目標化合物
輔助原料
O2、催化劑
官能團的變化
碳碳雙鍵→羥基→醛基→羧基
（1）人們最初是通過發酵法由糧食制備乙酸，現在食醋仍主要以這種方式生產，工業上大量使用的乙酸是通過石油化學工業人工合成的。請以乙烯為原料，設計合理的路線合成乙酸，分析該合成過程中官能團的變化。
【思考與討論】
（2）目前已經出現了將乙烯直接氧化生成乙酸的工藝。假定該工藝涉及的反應和（1）中合成路線的每一步反應的產率均為70%，請計算并比較這兩種合成路線的總產率。
（1）中合成路線生成CH3COOH的產率為70%×70%×70%＝34.3%，低于乙烯直接氧化成乙酸的產率（70%）
CH2=CH2
CH3CH2OH
CH3CHO
CH3COOH
70%
70%
70%
CH2=CH2+O2
CH3COOH
催化劑
70%
因此，合成步驟應盡可能少，以提高產率
目標化合物
中間體1
中間體2
基礎原料
以乙二酸二乙酯這種醫藥和染料工業原料的合成為例，說明有機合成路線的設計和選擇。
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
中間體1
中間體2
中間體3
中間體4
CH2=CH2
CH2
CH2
OH
OH
CH2
CH2
Cl
Cl
CH2=CH2
①
②
③
④
⑤
優先在官能團\碳雜鍵(如C—O)處切斷
合成路線設計：
H2O
催化劑,△,加壓
NaOH/水
△
Cl2
催化劑
△
催化劑
△
典例：以乙烯為原料，合成乙二酸二乙酯這種醫藥和染料工業原料為例，說明有機合成路線的設計和選擇。
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：
合成路線設計：
H2O
催化劑,△,加壓
NaOH/水
△
Cl2
催化劑
△
催化劑
△
確定乙二酸二乙酯的基礎原料為乙烯，通過以下5步反應完成合成：
CH2=CH2 + H2O
催化劑
Δ ，加壓
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
催化劑
Δ
C
C
HO
OH
O
O
+ 2H2O
4.
+ 2CH3CH2 OH
C
C
HO
OH
O
O
+ 2H2O
催化劑
Δ
C
C
C2H5O
OC2H5
O
O
5.
【思考與討論】
1.在實際工業生產中，乙二醇還可以通過環氧乙烷與水直接化合的方法合成，而環氧乙烷則可由乙烯直接氧化得到。請比較該方法與以上合成乙二酸二乙酯中的2、3兩步反應，分析生產中選擇該路線的可能原因。
①
②
③
④
⑤
路線二：
路線一：
②CH2=CH2 + Cl2
CH2Cl
—
CH2Cl
③ + 2NaOH
H2O
△
CH2Cl
—
CH2Cl
+ 2NaCl
CH2OH
—
CH2OH
【思考與討論】
路線一 路線二
原料
原子利用率
環境保護
Cl2、NaOH
O2、H2O，廉價易得
③為取代反應有副產物，原子利用率低。
原子利用率100%
Cl2有毒、 NaOH有腐蝕性的，對環境不夠友好
O2、H2O無毒無腐蝕性的，對環境友好
2.設計合成路線的基本原則
(5) 在進行有機合成時，要貫徹“綠色化學”理念等。
(1)步驟較少，副反應少，反應產率高（原子利用率高）；
(2)原料、溶劑和催化劑盡可能價廉易得、低毒；
(3)反應條件溫和，操作簡便，產物易于分離提純；
(4)污染排放少；
利用逆合成分析法設計有機合成路線的一般程序
觀察目標化合物的分子結構
由目標化合物逆推原料分子并設計合成路線
碳骨架特征，官能團種類和位置
碳骨架構建，官能團的引入或轉化
對不同的合成路線進行優選
以綠色合成思想為指導
二、有機合成路線的實施
1.一元合成路線
鹵代烴
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、濃硫酸
△
2.二元合成路線
二元醇
二元醛
二元羧酸
鏈酯、環酯、聚酯
X2
CH=CH2
X—CH2CH2—X
NaOH水溶液
△
HO—CH2CH2—OH
[O]
OHC—CHO
[O]
HOOC—COOH
濃硫酸
△
鹵代烴
3.芳香族化合物合成路線
CH2OH
NaOH水溶液
△
CHO
[O]
COOH
[O]
芳香酯
濃硫酸
醇、△
Cl
Cl2
FeCl3
②
OH
① NaOH水溶液、 △
② H+
CH3
CH2Cl
光照
Cl2
①
隨著新的有機反應、新試劑的不斷發現和有機合成理論的發展，有機合成的技術和效率不斷提高。20世紀初，維爾施泰特通過十余步反應合成顛茄酮，總產率僅有0.75%。十幾年后，羅賓遜改進了合成思路，僅用3步反應便完成合成。總產率達90%。20世紀中后期，伍德沃德與多位化學家合作，成功合成了奎寧、膽固醇、葉綠素、紅霉素、維生素B12等一系列結構復雜的天然產物，促進了有機合成技術和有機反應理論的發展；科里提出了系統化的逆合成概念，開始利用計算機輔助設計合成路線，讓合成路線的設計逐步成為有嚴密思維邏輯的科學過程，使有機合成進入了新的發展階段。
顛茄酮
維生素B12
顛茄酮和維生素B12的分子結構
隨著新的有機反應、新試劑的不斷發現和有機合成理論的發展，有機合成技術和效率不斷提高，利用計算機輔助設計合成路線，讓合成路線的設計逐步成為嚴密思維邏輯的科學過程。
實驗室有機合成常用的裝置：
工業化合成使用的反應釜
圖3-31 實驗室進行有機合成使用的一種典型裝置
有機合成路線的基本流程
明確目標化合物的結構
設計合成路線
碳骨架構建和官能團轉化
對樣品進行結構測定試驗其性質或功能
合成目標化合物
大量合成
優化方案
科學性
可行性
安全性
簡約性
依據
水楊酸用于治療關節炎引起的疼痛及流感引起的發熱。
副作用
——酸性使胃酸反流，胃部有灼熱感，苦不堪言。
費利克斯·霍夫曼
1894年，德國拜耳公司的費利克斯·霍夫曼，改進了水楊酸的結構，制得了
生活中的化學
1897年8月，霍夫曼用水楊酸與乙酸酐制備了阿司匹林
資料在線
1.寫出由乳酸(CH3CHOHCOOH) 制備HOOCCOCOOH的路線。
1.寫出由乳酸(CH3CHOHCOOH) 制備HOOCCOCOOH的路線。

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