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鲁科版 (2019)选择性必修3第3章 有机合成及其应用 合成高分子化合物第1节 有机化合物的合成第2课时学案
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基础课时18 有机合成路线的设计 有机合成的应用必备知识一、有机合成路线的设计1．正推法设计有机合成路线，可以从确定的某种原料分子开始，逐步经过碳骨架的构建和官能团的引入或转化来完成。其一般程序可表示为2．逆推法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化合物的中间有机化合物，直至选出合适的起始原料。3．优选合成路线依据(1)合成路线是否符合化学原理。(2)合成操作是否安全可靠。(3)绿色合成主要考虑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。[提醒] 原子利用率(%)＝eq \f(预期产物的相对原子质量总和,反应物的相对原子质量总和)×100%。在“绿色化学工艺”中，理想状态是反应物中原子全部转化为欲制得的产物，即原子利用率为100%。“绿色化学”标志思考：取代反应、加成反应和消去反应三大有机反应在有机合成中应用十分广泛，在这几个化学反应中，哪些反应才符合“绿色化学工艺”？提示：所有反应物中的原子均转化到产物中，才符合“绿色化学”的原理，只有加成反应符合“绿色化学工艺”，而取代反应和消去反应均有原子进入非目标产物。4．逆推法设计有机合成路线的一般程序判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)有机合成路线设计的关键是原料分子的推断。 (×)(2)设计合成路线时，只能从原料分子开始，通过碳链的连接和官能团的安装来完成。 (×)(3)绿色合成思想的主要出发点是治理有机合成中所产生的污染。 (×)二、利用逆合成分析法设计苯甲酸苯甲酯的合成路线1．观察目标分子的结构2．逆推出原料分子3．设计合成路线(设计四种不同的合成路线)4．评价优选合成路线对上述合成路线进行评价，优选出其中比较合理的路线。路线(2)和路线(4)制备苯甲酸的步骤多、成本较高，而且使用较多的氯气不利于环境保护。路线(3)的步骤较少，但所用还原剂LiAlH4价格昂贵，要求无水操作，成本高。路线(1)由甲苯分别制备苯甲酸和苯甲醇，然后由它们发生酯化反应制备苯甲酸苯甲酯，是比较合理的实验室合成路线。有下述有机反应类型：①消去反应；②水解反应；③加聚反应；④加成反应；⑤还原反应；⑥氧化反应。以丙醛为原料制取1,2丙二醇，所需进行的反应类型依次是________。三、有机合成的应用(1)有机合成是化学学科中最活跃、最具创造性的领域之一。①人工合成的物质数量巨大；②人工合成的物质应用范围广。(2)有机合成是化学基础研究的一个重要工具。情境探究情境素材在药物、香料合成中常利用醛和醇反应生成缩醛来保护醛基，此类反应在酸催化下进行。例如：合作探究[问题1] 欲使上述反应顺利向右进行，你认为较合适的催化剂是什么？提示：要使平衡向右移动，可以通过吸收水达到目的，故合适的催化剂为浓硫酸。[问题2] 已知烯烃在一定条件下可以发生氧化反应：提示：从信息来看，两个羟基的引入是通过碳碳双键的氧化来实现的，但如果将CH2===CH—CHO直接氧化，则醛基也会被氧化，故需先将醛基加以保护，其保护方式可以考虑题目中一开始的信息，将醛基与醇进行反应，然后再通过条件的控制使平衡向左移动恢复醛基即可，故整个过程可以设计如下：归纳总结1．有机合成遵循的原则(1)符合有机合成中原子经济性的要求。所选择的每个反应的副产物应尽可能少，所要得到的主产物的产率尽可能高且易于分离，避免采用副产物多的反应。(2)发生反应的条件要适宜，反应的安全系数要高，反应步骤尽可能少而简单。(3)要按一定的反应顺序和规律引入官能团，必要时应采取一定的措施保护已引入的官能团。(4)所选用的合成原料要绿色化且易得、经济；所选用的试剂与催化剂无公害。2．有机合成的三种常见方法(1)正向合成法：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，逐步推向合成目标有机物，其思维程序是原料―→中间产物―→产品。(2)逆向合成法：简称逆推法，此法采用逆向思维方法 ，从合成目标有机物的组成、结构、性质入手，找出合成所需的直接或间接的中间产物，逐步推向已知原料，其思维程序是产品―→中间产物―→原料。(3)类比分析法：此法要点是采用综合思维的方法，其思维程序为“比较题目所给知识原型―→找出原料与合成物质的内在联系―→确定中间产物―→产品”。3．有机合成常见的四条合成路线(1)一元合成路线：R—CH===CH2→卤代烃→一元醇→一元醛→一元羧酸→酯(2)二元合成路线：(3)芳香化合物合成路线：(4)改变官能团的位置：能力达成1．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在催化剂存在情况下与氯气加成 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A．①③④②⑥ B．①③④②⑤C．②④①⑤⑥ D．②④①⑥⑤C [采取逆向分析可知，乙二酸→乙二醛→乙二醇→1,2二卤代烃→乙烯→氯乙烷。然后再逐一分析反应发生的条件，可知C项设计合理。]2．(2020·山东等级考)化合物F是合成吲哚2酮类药物的一种中间体，其合成路线如下：回答下列问题： (1)实验室制备A的化学方程式为____________________________________________________________________________________________________，提高A产率的方法是______________________；A的某同分异构体只有一种化学环境的碳原子，其结构简式为___________________________。(2)C→D的反应类型为___________________________；E中含氧官能团的名称为________________。(3)C的结构简式为____________________，F的结构简式为____________________。(4)Br2和的反应与Br2和苯酚的反应类似，以和为原料合成，写出能获得更多目标产物的较优合成路线(其他试剂任选)。[解析] (1)根据题给已知信息Ⅰ，由B的结构简式逆推可知A为CH3COOC2H5，实验室利用乙醇与乙酸为原料，通过酯化反应可制备乙酸乙酯，反应的化学方程式是CH3COOH＋CH3CH2OHCH3COOC2H5＋H2O。该反应为可逆反应，及时将反应体系中的乙酸乙酯蒸出，或增大反应物(乙酸、乙醇)的量可提高乙酸乙酯的产率。乙酸乙酯分子有1个不饱和度(可判断其同分异构体含双键或环状结构)，且含4个碳原子和2个氧原子，由A的这种同分异构体只有1种化学环境的碳原子，则可判断该同分异构体为高度对称的分子，故其结构简式为。(2) 在碱性、加热条件下水解，再酸化可得C，C的结构简式是，由题给已知信息Ⅱ可知C生成D发生的是羧基结构中的—OH被Cl取代的反应，则D为，E为，E的含氧官能团是羰基、酰胺基。(3)由上述分析可知C的结构简式为，结合F的分子式，根据题给已知信息Ⅲ可知发生分子内反应生成的F为。(4) 发生溴代反应生成发生类似题给已知信息Ⅱ的反应，生成，根据题给已知信息Ⅲ，可知发生分子内脱去HBr的反应，生成目标产物。知识脉络随堂测评1．有机合成的三个步骤的正确的顺序为( )①对不同的合成路线进行优选 ②由目标分子逆推原料分子并设计合成路线 ③观察目标分子的结构A．①②③ B．③②①C．②③① D．②①③B [进行有机合成时，先确定有机物分子结构中的官能团，再设计出不同的合成路线，最后对不同的合成路线进行优选。]2．羧酸和醇发生酯化反应的过程如图所示：可见酯化反应不是简单的取代反应，步骤Ⅰ和步骤Ⅱ的有机反应类型为( )A．步骤Ⅰ为加成反应，步骤Ⅱ为消去反应B．步骤Ⅰ为氧化反应，步骤Ⅱ为还原反应C．步骤Ⅰ为取代反应，步骤Ⅱ为消去反应D．步骤Ⅰ为加成反应，步骤Ⅱ为氧化反应A [根据羧酸和醇发生酯化反应的原理可知，步骤Ⅰ为加成反应，步骤Ⅱ为消去反应。]3．下列有机合成路线设计经济效益最好的是( )A．CH2===CH2―→CH3CH2ClB．CH3CH3―→CH3CH2ClC．CH3CH2OH―→CH3CH2ClD．CH2ClCH2Cl―→CH3CH2ClA [A项利用CH2===CH2＋HCl―→CH3CH2Cl，反应产物单一，反应程度较为完全，原子利用率高，是理想的合成路线；B项利用CH3CH3与Cl2发生取代反应生成CH3CH2Cl，反应副产物多，难以分离，原子利用率也低；C项利用CH3CH2OH与HCl发生取代反应生成CH3CH2Cl，反应难以进行到底，原子利用率低；D项应经过CH2ClCH2Cl―→CH2===CHCl―→CH3CH2Cl，反应难以控制，转化率低，故不是理想合成路线。]4．在有机合成中，若制得的有机化合物较纯净且易分离，在工业生产上才有实用价值。据此判断下列有机合成一般不适用于工业生产的是( )B．乙烷与氯气在光照条件下制备氯乙烷：CH3CH3＋Cl2光照,CH3CH2Cl＋HClC．萘与浓硫酸制备萘磺酸：＋HO—SO3H60 ℃, ＋H2OD．乙烯与水制乙醇：CH2===CH2＋H2Oeq \o(――――――→,\s\up8(催化剂),\s\do6(加热，加压))CH3CH2OHB [乙烷与氯气在光照条件下发生取代反应，该反应生成多种氯代乙烷和氯化氢气体且不易分离。]5．以，请用合成反应的流程图表示出最合理的合成方案(注明必要的反应条件)。[答案] 学 习 任 务1.通过了解设计合成路线的一般程序，建立有机合成路线的认知模型。2．通过苯甲酸甲酯的合成路线的分析，总结有机合成路线设计的一般程序——逆推法。培养证据推理与模型认知的化学核心素养。3．了解有机合成的意义及应用，培养科学态度与社会责任的化学核心素养。学习任务设计有机合成路线
基础课时18 有机合成路线的设计 有机合成的应用必备知识一、有机合成路线的设计1．正推法设计有机合成路线，可以从确定的某种原料分子开始，逐步经过碳骨架的构建和官能团的引入或转化来完成。其一般程序可表示为2．逆推法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化合物的中间有机化合物，直至选出合适的起始原料。3．优选合成路线依据(1)合成路线是否符合化学原理。(2)合成操作是否安全可靠。(3)绿色合成主要考虑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。[提醒] 原子利用率(%)＝eq \f(预期产物的相对原子质量总和,反应物的相对原子质量总和)×100%。在“绿色化学工艺”中，理想状态是反应物中原子全部转化为欲制得的产物，即原子利用率为100%。“绿色化学”标志思考：取代反应、加成反应和消去反应三大有机反应在有机合成中应用十分广泛，在这几个化学反应中，哪些反应才符合“绿色化学工艺”？提示：所有反应物中的原子均转化到产物中，才符合“绿色化学”的原理，只有加成反应符合“绿色化学工艺”，而取代反应和消去反应均有原子进入非目标产物。4．逆推法设计有机合成路线的一般程序判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)有机合成路线设计的关键是原料分子的推断。 (×)(2)设计合成路线时，只能从原料分子开始，通过碳链的连接和官能团的安装来完成。 (×)(3)绿色合成思想的主要出发点是治理有机合成中所产生的污染。 (×)二、利用逆合成分析法设计苯甲酸苯甲酯的合成路线1．观察目标分子的结构2．逆推出原料分子3．设计合成路线(设计四种不同的合成路线)4．评价优选合成路线对上述合成路线进行评价，优选出其中比较合理的路线。路线(2)和路线(4)制备苯甲酸的步骤多、成本较高，而且使用较多的氯气不利于环境保护。路线(3)的步骤较少，但所用还原剂LiAlH4价格昂贵，要求无水操作，成本高。路线(1)由甲苯分别制备苯甲酸和苯甲醇，然后由它们发生酯化反应制备苯甲酸苯甲酯，是比较合理的实验室合成路线。有下述有机反应类型：①消去反应；②水解反应；③加聚反应；④加成反应；⑤还原反应；⑥氧化反应。以丙醛为原料制取1,2丙二醇，所需进行的反应类型依次是________。三、有机合成的应用(1)有机合成是化学学科中最活跃、最具创造性的领域之一。①人工合成的物质数量巨大；②人工合成的物质应用范围广。(2)有机合成是化学基础研究的一个重要工具。情境探究情境素材在药物、香料合成中常利用醛和醇反应生成缩醛来保护醛基，此类反应在酸催化下进行。例如：合作探究[问题1] 欲使上述反应顺利向右进行，你认为较合适的催化剂是什么？提示：要使平衡向右移动，可以通过吸收水达到目的，故合适的催化剂为浓硫酸。[问题2] 已知烯烃在一定条件下可以发生氧化反应：提示：从信息来看，两个羟基的引入是通过碳碳双键的氧化来实现的，但如果将CH2===CH—CHO直接氧化，则醛基也会被氧化，故需先将醛基加以保护，其保护方式可以考虑题目中一开始的信息，将醛基与醇进行反应，然后再通过条件的控制使平衡向左移动恢复醛基即可，故整个过程可以设计如下：归纳总结1．有机合成遵循的原则(1)符合有机合成中原子经济性的要求。所选择的每个反应的副产物应尽可能少，所要得到的主产物的产率尽可能高且易于分离，避免采用副产物多的反应。(2)发生反应的条件要适宜，反应的安全系数要高，反应步骤尽可能少而简单。(3)要按一定的反应顺序和规律引入官能团，必要时应采取一定的措施保护已引入的官能团。(4)所选用的合成原料要绿色化且易得、经济；所选用的试剂与催化剂无公害。2．有机合成的三种常见方法(1)正向合成法：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，逐步推向合成目标有机物，其思维程序是原料―→中间产物―→产品。(2)逆向合成法：简称逆推法，此法采用逆向思维方法 ，从合成目标有机物的组成、结构、性质入手，找出合成所需的直接或间接的中间产物，逐步推向已知原料，其思维程序是产品―→中间产物―→原料。(3)类比分析法：此法要点是采用综合思维的方法，其思维程序为“比较题目所给知识原型―→找出原料与合成物质的内在联系―→确定中间产物―→产品”。3．有机合成常见的四条合成路线(1)一元合成路线：R—CH===CH2→卤代烃→一元醇→一元醛→一元羧酸→酯(2)二元合成路线：(3)芳香化合物合成路线：(4)改变官能团的位置：能力达成1．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在催化剂存在情况下与氯气加成 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A．①③④②⑥ B．①③④②⑤C．②④①⑤⑥ D．②④①⑥⑤C [采取逆向分析可知，乙二酸→乙二醛→乙二醇→1,2二卤代烃→乙烯→氯乙烷。然后再逐一分析反应发生的条件，可知C项设计合理。]2．(2020·山东等级考)化合物F是合成吲哚2酮类药物的一种中间体，其合成路线如下：回答下列问题： (1)实验室制备A的化学方程式为____________________________________________________________________________________________________，提高A产率的方法是______________________；A的某同分异构体只有一种化学环境的碳原子，其结构简式为___________________________。(2)C→D的反应类型为___________________________；E中含氧官能团的名称为________________。(3)C的结构简式为____________________，F的结构简式为____________________。(4)Br2和的反应与Br2和苯酚的反应类似，以和为原料合成，写出能获得更多目标产物的较优合成路线(其他试剂任选)。[解析] (1)根据题给已知信息Ⅰ，由B的结构简式逆推可知A为CH3COOC2H5，实验室利用乙醇与乙酸为原料，通过酯化反应可制备乙酸乙酯，反应的化学方程式是CH3COOH＋CH3CH2OHCH3COOC2H5＋H2O。该反应为可逆反应，及时将反应体系中的乙酸乙酯蒸出，或增大反应物(乙酸、乙醇)的量可提高乙酸乙酯的产率。乙酸乙酯分子有1个不饱和度(可判断其同分异构体含双键或环状结构)，且含4个碳原子和2个氧原子，由A的这种同分异构体只有1种化学环境的碳原子，则可判断该同分异构体为高度对称的分子，故其结构简式为。(2) 在碱性、加热条件下水解，再酸化可得C，C的结构简式是，由题给已知信息Ⅱ可知C生成D发生的是羧基结构中的—OH被Cl取代的反应，则D为，E为，E的含氧官能团是羰基、酰胺基。(3)由上述分析可知C的结构简式为，结合F的分子式，根据题给已知信息Ⅲ可知发生分子内反应生成的F为。(4) 发生溴代反应生成发生类似题给已知信息Ⅱ的反应，生成，根据题给已知信息Ⅲ，可知发生分子内脱去HBr的反应，生成目标产物。知识脉络随堂测评1．有机合成的三个步骤的正确的顺序为( )①对不同的合成路线进行优选 ②由目标分子逆推原料分子并设计合成路线 ③观察目标分子的结构A．①②③ B．③②①C．②③① D．②①③B [进行有机合成时，先确定有机物分子结构中的官能团，再设计出不同的合成路线，最后对不同的合成路线进行优选。]2．羧酸和醇发生酯化反应的过程如图所示：可见酯化反应不是简单的取代反应，步骤Ⅰ和步骤Ⅱ的有机反应类型为( )A．步骤Ⅰ为加成反应，步骤Ⅱ为消去反应B．步骤Ⅰ为氧化反应，步骤Ⅱ为还原反应C．步骤Ⅰ为取代反应，步骤Ⅱ为消去反应D．步骤Ⅰ为加成反应，步骤Ⅱ为氧化反应A [根据羧酸和醇发生酯化反应的原理可知，步骤Ⅰ为加成反应，步骤Ⅱ为消去反应。]3．下列有机合成路线设计经济效益最好的是( )A．CH2===CH2―→CH3CH2ClB．CH3CH3―→CH3CH2ClC．CH3CH2OH―→CH3CH2ClD．CH2ClCH2Cl―→CH3CH2ClA [A项利用CH2===CH2＋HCl―→CH3CH2Cl，反应产物单一，反应程度较为完全，原子利用率高，是理想的合成路线；B项利用CH3CH3与Cl2发生取代反应生成CH3CH2Cl，反应副产物多，难以分离，原子利用率也低；C项利用CH3CH2OH与HCl发生取代反应生成CH3CH2Cl，反应难以进行到底，原子利用率低；D项应经过CH2ClCH2Cl―→CH2===CHCl―→CH3CH2Cl，反应难以控制，转化率低，故不是理想合成路线。]4．在有机合成中，若制得的有机化合物较纯净且易分离，在工业生产上才有实用价值。据此判断下列有机合成一般不适用于工业生产的是( )B．乙烷与氯气在光照条件下制备氯乙烷：CH3CH3＋Cl2光照,CH3CH2Cl＋HClC．萘与浓硫酸制备萘磺酸：＋HO—SO3H60 ℃, ＋H2OD．乙烯与水制乙醇：CH2===CH2＋H2Oeq \o(――――――→,\s\up8(催化剂),\s\do6(加热，加压))CH3CH2OHB [乙烷与氯气在光照条件下发生取代反应，该反应生成多种氯代乙烷和氯化氢气体且不易分离。]5．以，请用合成反应的流程图表示出最合理的合成方案(注明必要的反应条件)。[答案] 学 习 任 务1.通过了解设计合成路线的一般程序，建立有机合成路线的认知模型。2．通过苯甲酸甲酯的合成路线的分析，总结有机合成路线设计的一般程序——逆推法。培养证据推理与模型认知的化学核心素养。3．了解有机合成的意义及应用，培养科学态度与社会责任的化学核心素养。学习任务设计有机合成路线
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