3.5有機(jī)合成-構(gòu)建碳骨架、官能團(tuán)的引入消除保護(hù)及轉(zhuǎn)化 課件 高二化學(xué)人教版（2019）選擇性必修3

第五節(jié)有機(jī)合成與推斷

第三章烴的衍生物學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、了解設(shè)計(jì)有機(jī)合成路線的一般方法。2、理解逆合成分析法在有機(jī)合成中的應(yīng)用，尤其在制藥行業(yè)中的重要作用，知道“綠色合成”原則。3、體會(huì)有機(jī)合成在創(chuàng)造新物質(zhì)、提高人類生活質(zhì)量及促進(jìn)社會(huì)發(fā)展方面的重要貢獻(xiàn)。

有機(jī)合成的歷史

19世紀(jì)20年代，德國(guó)化學(xué)家維勒(Wohler)合成了尿素，開創(chuàng)了人工合成有機(jī)物的新時(shí)代。氰酸銨尿素德國(guó)化學(xué)家維勒

隨著新的有機(jī)反應(yīng)、新試劑的不斷發(fā)現(xiàn)和有機(jī)合成理論的發(fā)展，有機(jī)合成的技術(shù)和效率不斷提高。20世紀(jì)初，德國(guó)化學(xué)家維爾施泰特(Willst?tter)通過十余步反應(yīng)合成顛茄酮，總產(chǎn)率僅有0.75%。十幾年后，英國(guó)化學(xué)家羅賓遜(Robinson)改進(jìn)了合成思路，僅用3步反應(yīng)便完成合成?？偖a(chǎn)率達(dá)90%。顛茄酮

20世紀(jì)中后期，伍德沃德與多位化學(xué)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(jié)構(gòu)復(fù)雜的天然產(chǎn)物，促進(jìn)了有機(jī)合成技術(shù)和有機(jī)反應(yīng)理論的發(fā)展。1967年，科里提出了系統(tǒng)化的逆合成概念，開始利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)合成路線，讓合成路線的設(shè)計(jì)逐步成為有嚴(yán)密思維邏輯的科學(xué)過程?？评锏哪婧铣煞治鍪乾F(xiàn)代有機(jī)合成化學(xué)的重要基石，使有機(jī)合成進(jìn)入了新的發(fā)展階段。維生素B12美國(guó)化學(xué)家伍德沃德2021年10月16日，航天員翟志剛、王亞平、葉光富在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心搭乘神舟十三號(hào)載人飛船進(jìn)入天和核心艙，成為入住中國(guó)空間站的第二批航天員。180余天的太空飛行中，3名航天員圓滿完成了各項(xiàng)任務(wù)。1個(gè)小時(shí)前，航天員乘組安全返回地面。2021據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，宇航員的服裝能使太空的人處于加壓狀態(tài)，供給宇航?jīng)]問生命所需的氧氣，控制溫度和濕度，防止輻射，還要經(jīng)得起微流星的沖擊。

宇航服中已經(jīng)應(yīng)用了一百三十多種新型材料，其中多數(shù)是有機(jī)合成材料。

密閉頭盔由透明聚碳酸酯組成，密閉服由耐高溫的防火聚酰胺纖維織物等特殊材料組成。宇航服面罩是由碳材料制成的金剛石膜。

有機(jī)合成的貢獻(xiàn)

有機(jī)合成的發(fā)展，使人們不僅能通過人工手段合成原本只能從生物體內(nèi)分離、提取的天然產(chǎn)物，還可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)合成具有特定結(jié)構(gòu)和性能的新物質(zhì)，為化學(xué)、生物、醫(yī)藥、材料等領(lǐng)域的研究和相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，有力地促進(jìn)了人類健康水平提高和社會(huì)發(fā)展進(jìn)步。一座年產(chǎn)萬噸的合成纖維廠相當(dāng)于30萬畝棉田或250萬頭綿羊的棉毛產(chǎn)量。合成纖維一座年產(chǎn)8萬噸的合成橡膠廠相當(dāng)于145萬畝橡膠園的年產(chǎn)量。合成橡膠1965年中國(guó)科學(xué)家首次用人工方法合成了結(jié)晶牛胰島素有機(jī)材料的驚艷綻放科技創(chuàng)造生活，合成造福人類！

隱形眼鏡材料：聚甲基丙烯酸羥乙酯

長(zhǎng)效緩釋阿司匹林合成纖維塑料合成橡膠化妝品香料：苯甲酸苯甲酯有機(jī)合成的意義：①制備天然有機(jī)物，彌補(bǔ)自然資源的不足。②對(duì)天然有機(jī)物進(jìn)行局部的結(jié)構(gòu)改造和修飾，使其性能更加完美。③合成自然界中不存在的有機(jī)物，滿足人們生活需要。有機(jī)合成的概念：使用相對(duì)簡(jiǎn)單易得的原料，通過有機(jī)化學(xué)反應(yīng)來構(gòu)建碳骨架和引入官能團(tuán)，由此合成出具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的目標(biāo)分子。

有機(jī)合成的關(guān)鍵:通過有機(jī)反應(yīng)構(gòu)建目標(biāo)化合物的分子骨架，并引入或轉(zhuǎn)化所需要的官能團(tuán)。有選擇地通過取代、加成、消去、氧化、還原等有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)化合物類別的轉(zhuǎn)化，并引入目標(biāo)官能團(tuán)。一、有機(jī)合成的任務(wù)(1)與HCN發(fā)生加成反應(yīng)：炔烴和醛、酮中的不飽和鍵與HCN發(fā)生加成反應(yīng)生成含有氰基（—CN）的物質(zhì)，再經(jīng)水解生成羧酸，或經(jīng)催化加氫還原生成胺。如：1.碳鏈的增長(zhǎng)（一）構(gòu)建碳骨架原料分子中的碳原子數(shù)目標(biāo)分子中的碳原子數(shù)＜引入含碳原子的官能團(tuán)②醛（或酮）與HCN的加成反應(yīng)H2O、H﹢催化劑丙烯酸＋NH4＋HCN催化劑H2催化劑羥基腈氨基醇①炔烴與HCN的加成反應(yīng):乙炔與HCN加成后再水解。

催化劑丙烯腈這樣，在將羧基、氨基等引入碳鏈的同時(shí)，產(chǎn)物較原料分子增加了一個(gè)碳原子。2-甲基-2-羥基丙腈2-甲基-2-羥基丙酸催化劑(2)羥醛縮合反應(yīng)：醛分子中醛基鄰位碳原子上的氫原子（α-H）受羰基吸電子的影響，具有一定的活性。分子內(nèi)含有α-H的醛在一定條件下可與醛基發(fā)生加成反應(yīng)，生成β-羥基醛，該產(chǎn)物易失水，得到α,β-不飽和醛。這類反應(yīng)被稱為羥醛縮合反應(yīng)。α催化劑αβ催化劑△αβ加成反應(yīng)消去反應(yīng)β-羥基醛α,β-不飽和醛(3)加聚反應(yīng)[

]n一定條件(4)酯化反應(yīng)(5)分子間脫水CH3?C?OH＋H?18O?C2H5OCH3?C?18O?C2H5＋H2OO濃硫酸ΔCH3CH2-OH+H-OCH2CH3

CH3CH2-O-CH2CH3+H2O濃H2SO4140℃實(shí)質(zhì):一醇出羥基，一醇出氫(6)鹵代烴與NaCN的取代反應(yīng)CH3CH2Cl+NaCNCH3CH2CN+NaCl丙腈H2O，H＋CH3CH2CNCH3CH2COOH(7)鹵代烴與炔鈉的反應(yīng)2CH3C≡CH+Na2CH3C≡CNa+H2↑液氨CH3C≡CNa+CH3CH2Cl→CH3C≡CCH2CH3+NaClH2OΔ(8)格林試劑延長(zhǎng)碳鏈:鹵代烴與金屬鎂在無水乙醚中反應(yīng)，可得到格林試劑R-MgX，它可與醛、酮等化合物加成。CH3CHO+R-MgX→CH3CHOMgXRCH3CHOMgX→CH3CHOHRR酶2.碳鏈的縮短原料分子中的碳原子目標(biāo)分子中的碳原子＞斷開碳鏈（1）烷烴的裂化、裂解反應(yīng)（2）水解反應(yīng)（包括酯的水解、蛋白質(zhì)或多糖的水解）C4H10

CH4+C3H6△

CH3COOC2H5＋H2OCH3COOH＋C2H5OH稀硫酸△(3)與高錳酸鉀發(fā)生氧化反應(yīng):氧化反應(yīng)也可以使烴分子鏈縮短。例如，烯烴、炔烴及芳香烴的側(cè)鏈被酸性高錳酸鉀溶液氧化，生成碳鏈縮短的羧酸或酮。①烯烴：KMnO4H＋二氫成氣，一氫成酸，無氫成酮②炔烴CO2

＋RCOOHKMnO4H＋③芳香化合物的側(cè)鏈被酸性高錳酸鉀溶液氧化，生成碳鏈縮短的羧酸。KMnO4H＋

思考：和苯環(huán)直接相連的碳上沒有氫，能被酸性高錳酸鉀氧化嗎？

思考：芳香化合物的側(cè)鏈被酸性高錳酸鉀溶液氧化有什么特點(diǎn)？酸性高錳酸鉀苯甲酸由于苯環(huán)對(duì)側(cè)鏈的影響，使苯的同系物的側(cè)鏈容易被氧化。側(cè)鏈烴基如果與苯相連接的碳原子上有氫原子，就能被酸性高錳酸鉀溶液氧化成苯甲酸（無論R—的碳鏈有多長(zhǎng)，烷基均被氧化為-COOH）。（4）脫羧反應(yīng)R-COONa+NaOHR-H+Na2CO3△

CaOCH3COONa+NaOHCH4↑+Na2CO3CaO→△

→（實(shí)驗(yàn)室制取甲烷）3.碳鏈成環(huán)(1)共軛二烯烴(含有兩個(gè)碳碳雙鍵，且兩個(gè)雙鍵被一個(gè)單鍵隔開的烯烴，如1,3-丁二烯)與含碳碳雙鍵的化合物在一定條件下發(fā)生第爾斯-阿爾德反應(yīng)(Diels-Alderreaction)，得到環(huán)加成產(chǎn)物，構(gòu)建了環(huán)狀碳骨架。產(chǎn)物判斷方法：一根π鍵斷成兩半根，以雙鍵（三鍵）兩端C為固定點(diǎn)，兩半根“人”字型擺放，斷π鍵后的兩分子靠近合并，半根合一根寫產(chǎn)物。注意：反應(yīng)物的書寫方式；反應(yīng)物若是不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)后的產(chǎn)物不同。一定條件下一定條件下＝CH2＝CH2HCHC+HCHC＝CCO==OO加熱高壓CCO＝OO＝+加熱高壓（2）酯化成環(huán)COOHCOOH濃硫酸ΔCH2OHCH2OH＋COOCH2COOCH2＋2H2O環(huán)乙二酸乙二酯濃硫酸Δ濃硫酸Δ（3）醇分子間脫水成環(huán)醚HOCH2CH2OH＋H2O

一定條件補(bǔ)充：開環(huán)

（1）環(huán)酯水解開環(huán)稀硫酸Δ（2）環(huán)烯烴氧化開環(huán)KMnO4H＋（二）引入官能團(tuán)

有選擇地通過取代、加成、消去、氧化、還原等有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)化合物類別的轉(zhuǎn)化，并引入目標(biāo)官能團(tuán)。CH≡CH+H2

CH2=CH2Ni?（2）炔烴與H2、HX、X2的不完全加成(限制物質(zhì)的量)。1.碳碳雙鍵的引入方法濃硫酸170℃CH3CH2OHCH2=CH2↑+H2O醇?CH3CH2Br+NaOHCH2=CH2↑+NaBr+H2O（1）醇或鹵代烴的消去反應(yīng)CH≡CH+HClCH2=CHCl催化劑?2.引入﹣OH生成醇的反應(yīng)：烯與H2O加成、鹵代烴水解、酯類水解、醛和酮與H2加成、酚鹽溶液與CO2、HCl的反應(yīng)、羥醛縮合等。CH≡CH+Cl2ClCH=CHCl

催化劑?CH3CH＝CH2＋H2OCH3CH(OH)CH3催化劑加熱、加壓CH3CH＝CH2＋H2OCH3CH2CH2OH催化劑加熱、加壓(主要產(chǎn)物)CH3CH2CH2Cl+NaOHCH3CH2CH2OH+NaClH2O△催化劑CH3CH2OHCH3CHO+H2△CH3COOC2H5+H2O

稀H2SO4CH3COOH+C2H5OH△△CH3COOC2H5+NaOHCH3COONa+C2H5OH催化劑△

酚羥基的引入一定條件苯的鹵代物水解生成苯酚。例如：酚鈉鹽溶液與CO2、HCl的反應(yīng)(1)烷烴、苯及其同系物的鹵代，醇或酚的取代反應(yīng)3.引入碳鹵鍵CH4+Cl2CH3Cl+HCl光注意：試劑：X2、HX↑CH3CH2OH+

HX

→

CH3CH2X

+H2O△△R—OH＋HXR—X＋H2O(2)不飽和烴與X2、HX等的加成反應(yīng)CH2＝CH—CH3＋Br2CH2Br—CHBr—CH3CH2＝CH—CH3＋HBrCH3—CHBr—CH3CH2Br—CH2—CH3CH≡CH＋HCl催化劑△CH2＝CHCl(1)醇的催化氧化引入碳氧雙鍵。例如：2RCH2OH＋O2催化劑△2RCHO＋2H2O2RCH(OH)R′＋O22R—C—R′＋2H2OO(2)某些烯烴、炔烴被酸性高錳酸鉀溶液、O2、O3氧化的反應(yīng)：4.醛基和酮羰基的引入催化劑△KMnO4(H＋)2（3）炔烴水化（加成反應(yīng)）催化劑△CH≡CH＋H2OCH3CHO2CH2＝CH2+O22CH3CHO一定條件①O3②Zn/H2O5.引入羧基的方法(1)醛的氧化反應(yīng)(2)酯、酰胺、R—CN（取代反應(yīng)）的水解反應(yīng)CH3COOC2H5＋H2OCH3COOH＋C2H5OH稀硫酸△2CH3CHO+O22CH3COOH催化劑△CH3CHO＋2Cu(OH)2＋NaOH

CH3COONa＋Cu2O↓＋3H2OCH3COONa＋H﹢CH3COOH＋Na﹢△RCONH2＋NaOH

RCOONa＋NH3↑△RCOONa＋H﹢RCOOH＋Na﹢(3)伯醇被酸性高錳酸鉀溶液或重鉻酸鉀溶液氧化的反應(yīng)氧化的反應(yīng)KMnO4(H＋)CH3CH2CNCH3CH2COOH△H2O，H﹢(4)某些烯烴、炔烴、芳香烴（苯的同系物）被酸性高錳酸鉀氧化的反應(yīng)CH≡C—RCO2＋RCOOHKMnO4(H＋)KMnO4(H＋)KMnO4(H＋)6、引入酯基

(2)酰氯醇解注意：苯酚形成酯需要與酸酐反應(yīng)(1)酯化反應(yīng)R?C?OH＋H?O?R'OR?C?O?R'＋H2OO濃硫酸Δ無水操作官能團(tuán)引入方法(舉例)碳碳雙鍵

鹵代烴的消去或醇的消去或炔烴的不完全加成碳鹵鍵

醇、酚的取代或烯烴、炔烴的加成或

烷烴、苯及苯的同系物的取代羥基

烯烴與水的加成或鹵代烴的水解或醛的還原或酯的水解醛基

醇的催化氧化或烯烴的氧化羧基

醇的氧化或醛的氧化或酯的水解酯基酯化反應(yīng)加成反應(yīng)1.消除不飽和鍵2.消除羥基取代、消去、酯化、氧化3.消除醛基、酮羰基加成、氧化4.消除碳鹵鍵消去、水解5.消除酯基、酰胺基水解（三）官能團(tuán)的消除1.利用衍變關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化（四）官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化官能團(tuán)種類變化：有機(jī)合成基本思路：醇醛酸酯一條線；乙烯連接一大片；溝通橋梁鹵代烴。不飽和烴飽和烴鹵代烴醇醛羧酸酯鹵代脫鹵水解取代氧化還原酯化水解氧化加成消去加成消去水解酯化強(qiáng)氧化劑酯注意：有機(jī)物的氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)的含義加O或去H為氧化；去O或加H為還原。2.通過消去、加成（控制試劑）、水解反應(yīng)使官能團(tuán)數(shù)目、位置變化。CH2CH2BrCH2=CH2CH2Br－CH2Br

先消去后加成。使官能團(tuán)轉(zhuǎn)換位置或數(shù)目增多一般都采取先消去后加成的方法。可以由醇或鹵代烴先發(fā)生消去反應(yīng)，再與HX、X2或H2O發(fā)生加成反應(yīng)。－H2O消去Cl2加成水解消去與X2加成官能團(tuán)數(shù)目的變化：官能團(tuán)位置的變化：CH3CH2CH2OHCH3CH=CH2消去HBr水解【練習(xí)】某有機(jī)物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如下，則此有機(jī)物可發(fā)生的反應(yīng)類型有_______________________(填序號(hào))。①取代反應(yīng)②加成反應(yīng)③消去反應(yīng)④酯化反應(yīng)⑤水解反應(yīng)⑥氧化反應(yīng)⑦中和反應(yīng)⑧顯色反應(yīng)⑨銀鏡反應(yīng)⑩還原反應(yīng)?加聚反應(yīng)?硝化反應(yīng)①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩??討論：下列兩個(gè)有機(jī)合成設(shè)計(jì)流程有何特點(diǎn)？其設(shè)計(jì)的目的是什么？保護(hù)羰基不被反應(yīng)保護(hù)酚羥基不被氧化（五）官能團(tuán)的保護(hù)

含多個(gè)官能團(tuán)的有機(jī)化合物在進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，非目標(biāo)官能團(tuán)也可能受到影響，此時(shí)先將其轉(zhuǎn)化為不受該反應(yīng)影響的其他官能團(tuán)，反應(yīng)后再轉(zhuǎn)化復(fù)原。1.醇羥基的保護(hù)

先將羥基轉(zhuǎn)化為醚鍵，使醇轉(zhuǎn)化為在一般反應(yīng)條件下比較穩(wěn)定的鍵。相關(guān)合成反應(yīng)結(jié)束后，再在一定條件下脫除起保護(hù)作用的基團(tuán)(保護(hù)基)，恢復(fù)羥基。引入保護(hù)基……合成反應(yīng)除去保護(hù)基合成反應(yīng)影響羥基，不能直接轉(zhuǎn)化

因酚羥基易被氧化，故在加入氧化劑之前將-OH先轉(zhuǎn)化為-ONa(酯基或-OCH3)，待其他基氧化后，再酸化使其轉(zhuǎn)化為-OH。2.酚羥基的保護(hù)CH3IKMnO