高考試題中有機(jī)合成路線的設(shè)計(jì)

■河南省鄭州市第一中學(xué) 劉善超

有機(jī)合成所產(chǎn)生的新物質(zhì)豐富了人類生活,美國(guó)有機(jī)化學(xué)家伍德沃德(被譽(yù)為現(xiàn)代有機(jī)合成之父)曾說過:有機(jī)合成使人類在舊的自然界旁又建立起一個(gè)新的自然界,改變了社會(huì)上物質(zhì)及商品的面貌,使人類生活發(fā)生了巨大的改變。

有機(jī)合成包括有機(jī)合成的主要任務(wù)(構(gòu)建碳骨架和引入官能團(tuán))、有機(jī)合成的主要方法(逆向合成分析法)和有機(jī)合成的重要應(yīng)用三個(gè)方面的內(nèi)容。有機(jī)合成既是有機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn),又是近年來高考中的高頻考點(diǎn),因此學(xué)好有機(jī)合成顯得至關(guān)重要。

一、有機(jī)合成的主要任務(wù)

有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于構(gòu)建目標(biāo)化合物的碳骨架(增長(zhǎng)碳鏈或縮短碳鏈,開環(huán)或成環(huán))和官能團(tuán)轉(zhuǎn)化。

1.碳骨架的構(gòu)建。

(1)增長(zhǎng)碳鏈。

常見的碳鏈增長(zhǎng)的方法:羥醛縮合反應(yīng)、酯縮合反應(yīng)、醛酮和HCN 的加成反應(yīng)、鹵代烴和NaCN 的取代反應(yīng)、鹵代烴和炔化鈉的反應(yīng)、格氏試劑和醛酮的反應(yīng)、格氏試劑和CO2的反應(yīng)、格氏試劑與環(huán)氧乙烷的反應(yīng)、傅-克烷基化反應(yīng)和傅-克?；磻?yīng)等。

①鹵代烴和炔化鈉的反應(yīng):

②鹵代烴和NaCN 的反應(yīng)(增加一個(gè)碳原子):

③格氏試劑和醛的反應(yīng):

④格氏試劑和環(huán)氧乙烷的反應(yīng)(增加兩個(gè)碳原子):

⑤格氏試劑和CO2的反應(yīng)(增加一個(gè)碳原子):

⑥傅-克烷基化反應(yīng)(增加一個(gè)或若干個(gè)碳原子):

(2)縮短碳鏈。

常見的縮短碳鏈方法有:烯、炔烴和酸性高錳酸鉀溶液的反應(yīng),苯的同系物和酸性高錳酸鉀溶液的反應(yīng),石油的裂化、裂解反應(yīng)等。

苯的同系物和酸性高錳酸鉀溶液的反應(yīng)如下:

(3)成環(huán)反應(yīng)。

碳鏈成環(huán)方法:D-A 反應(yīng)。

除D-A 反應(yīng)以外,成環(huán)反應(yīng)還有分子內(nèi)的羧基和羥基形成內(nèi)酯的反應(yīng)、多元羧酸形成環(huán)狀酸酐的反應(yīng)、多羥基醇脫水成環(huán)醚的反應(yīng)、分子內(nèi)的羧基和氨基形成內(nèi)酰胺的反應(yīng)等。

(4)開環(huán)反應(yīng)。

常見的開環(huán)方法有:環(huán)烯烴的氧化反應(yīng)、環(huán)狀酸酐的水解反應(yīng)、環(huán)內(nèi)酯的水解反應(yīng)等。

其中環(huán)烯烴的氧化反應(yīng)如下:

2.官能團(tuán)的引入。

(1)碳碳雙鍵的引入:炔烴和氫氣發(fā)生加成反應(yīng)得到,或鹵代烴、醇發(fā)生消去反應(yīng)得到。

(2)碳碳三鍵的引入:鹵代烴發(fā)生消去反應(yīng)得到。

(3)羥基的引入:鹵代烴發(fā)生水解反應(yīng)得到,或醛、酮與氫氣發(fā)生加成反應(yīng)得到。

(4)羰基的引入:醇發(fā)生氧化反應(yīng)生成醛或酮(引入羰基)。

(5)羧基的引入:醇或醛發(fā)生氧化反應(yīng)生成羧酸(引入羧基)。

(6)鹵素原子的引入:烯、炔烴和HX 或X2發(fā)生加成反應(yīng)得到,或烴和X2發(fā)生取代反應(yīng)得到。

二、有機(jī)合成中需要關(guān)注的內(nèi)容

1.掌握有機(jī)化學(xué)試題中出現(xiàn)的有機(jī)給予信息。

(1)羥醛縮合反應(yīng)。

醛和醛、醛和酮或酮和酮之間,其中一個(gè)有α-H 的醛或酮在強(qiáng)堿的作用下生成碳負(fù)離子,然后碳負(fù)離子和另一分子中的羰基發(fā)生反應(yīng)后生成β-羥基醛或β-羥基酮,其再進(jìn)一步脫去水后變?yōu)橄┤┗蛳┩姆磻?yīng)稱為羥醛縮合反應(yīng),這是有機(jī)反應(yīng)中增長(zhǎng)碳鏈的一種重要方式。

兩分子乙醛發(fā)生羥醛縮合反應(yīng):

反應(yīng)機(jī)理:

(2)酯縮合反應(yīng)。

發(fā)生縮合反應(yīng)時(shí),CH3CH2ONa具有較強(qiáng)的堿性,其作為堿可以?shī)Z取酯的亞甲基中的一個(gè)氫離子使酯中亞甲基變成碳負(fù)離子,然后碳負(fù)離子作為一個(gè)親核試劑與另一分子酯發(fā)生親核取代反應(yīng),其結(jié)果就相當(dāng)于兩分子酯脫去一分子醇后形成一種酮酯。注意酯在堿性條件下發(fā)生反應(yīng)時(shí)要求其中一分子酯中必須有α-H。

酯縮合反應(yīng)涉及α-H 的機(jī)理,從有機(jī)反應(yīng)類型來看,屬于取代反應(yīng),即:

例1羥甲香豆素是一種治療膽結(jié)石的藥物,合成路線如下所示:

(1)A 屬于芳香烴,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是_____。B中所含的官能團(tuán)是_____。

(2)C→D 的反應(yīng)類型是____。

(3)E 屬于酯類。僅以乙醇為有機(jī)原料,選用必要的無機(jī)試劑合成E,寫出有關(guān)化學(xué)方程式:____。

(5)以D 和F 為原料合成羥甲香豆素分為三步反應(yīng),寫出有關(guān)化合物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式:

解析：試題中難度最大的就是E 生成F和C2H5OH 的反應(yīng),從合成路線分析,考生會(huì)誤認(rèn)為分子E(C4H8O2)是乙酸乙酯,發(fā)生了酯的水解反應(yīng)。從第(4)問的問題可以得知,2個(gè)E分子(并不是一個(gè)E分子)發(fā)生反應(yīng)生成了F和乙醇,即兩分子乙酸乙酯發(fā)生了酯縮合反應(yīng),生成了CH3COCH2COOCH2CH3和C2H5OH。縱觀本題所給信息發(fā)現(xiàn),本題中并沒有給出酯縮合反應(yīng)的信息,由此可見,這些信息是需要考生在平時(shí)學(xué)習(xí)的過程中逐漸積累并掌握的。

2.掌握常見的基團(tuán)保護(hù)方式和去保護(hù)方式。

(1)醛基的保護(hù)和去保護(hù)。

比如說一個(gè)有機(jī)物中既有羰基(醛和酮)又有碳碳雙鍵,若只讓碳碳雙鍵發(fā)生加成反應(yīng),就需要先把醛基保護(hù)起來,等碳碳雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)后,再發(fā)生去保護(hù)反應(yīng)重新變?yōu)轸驶?/p>

保護(hù)羰基的方法:醛(或酮)和醇反應(yīng)生成縮醛(或縮酮)。

羰基去保護(hù)的方法:縮醛(或縮酮)在酸性條件下重新變?yōu)槿?或酮)。

例2根據(jù)下列已知信息,以丙烯及其他必要的有機(jī)試劑為原料合成CH3COCH2OH,無機(jī)試劑任選,寫出合成流程:___。

信息分析:信息(1)中保護(hù)羰基的方法:酮先和乙二醇發(fā)生反應(yīng)生成縮酮。

去保護(hù)的方法:縮酮在酸性條件下反應(yīng)重新變?yōu)橥?/p>

信息(2)中酯在還原劑LiAlH4作用下還原為醇。

解析：結(jié)合題中所給信息,可以設(shè)計(jì)出前半段合成路線:

結(jié)合題中信息(2)給出的知識(shí),若要得到目標(biāo)產(chǎn)物,就需要將—COOH 先酯化生成酯基,再將酯基還原為—CH2OH。由于在還原過程中也會(huì)被一并還原,因此先利用醛或酮與醇反應(yīng)生成縮醛或縮酮保護(hù)羰基,待分子中酯基被還原為羥基后,再讓縮醛或縮酮發(fā)生去保護(hù)反應(yīng)變?yōu)轸驶?從而起到保護(hù)羰基的作用。

(2)酚羥基的保護(hù)和去保護(hù)。

苯酚中的羥基很容易被氧化劑氧化,因此在反應(yīng)中一般先把酚羥基保護(hù)起來,等發(fā)生氧化反應(yīng)后,再發(fā)生去保護(hù)反應(yīng)重新生成酚羥基。

苯酚和碘甲烷或硫酸二甲酯[(CH3)2SO4]反應(yīng)生成苯甲醚,保護(hù)酚羥基;然后苯甲醚和HI發(fā)生去保護(hù)反應(yīng)又重新生成苯酚。

例3工業(yè)上用甲苯生產(chǎn)對(duì)羥基苯甲酸乙酯,其生產(chǎn)過程如下:

問題:在上述合成線路中,設(shè)計(jì)第③和⑥這兩步反應(yīng)的目的是____。

答案：保護(hù)酚羥基,防止酚羥基被氧化

三、有機(jī)合成的主要方法

有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的實(shí)施流程如下:基礎(chǔ)原料→中間體1→中間體2…→目標(biāo)產(chǎn)物,常見的合成分析方法有正向合成分析、逆向合成分析以及正逆合推分析。

逆合成分析法又稱切斷法,是一種逆向的邏輯思維方法,從分析目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)著手,根據(jù)分子中各原子間連接方式(化學(xué)鍵)的特征,運(yùn)用有機(jī)化學(xué)反應(yīng)方法,判斷出官能團(tuán)的種類和位置,選擇合適的化學(xué)鍵進(jìn)行切斷,將目標(biāo)分子轉(zhuǎn)化成一些較小的中間體;再以這些中間體作為新的目標(biāo)分子,將其切斷成更小的中間體;依次類推,直到推導(dǎo)至原料。

例4以乙烯為唯一的有機(jī)原料(無機(jī)原料和催化劑任選),設(shè)計(jì)合成二丙酸乙二酯的路線。

分析：本題提供的原料雖然簡(jiǎn)單,但是目標(biāo)產(chǎn)物比較復(fù)雜,因此采用逆向合成分析法,從產(chǎn)物對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,找出合理的斷鍵位置。

答案：

四、有機(jī)合成的重要應(yīng)用

有機(jī)合成的重要應(yīng)用體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

(一)改進(jìn)已有的有機(jī)合成路線或工藝,以便取得更高的產(chǎn)率或更加符合“綠色化學(xué)”的要求。

(二)對(duì)天然有機(jī)化合物進(jìn)行局部的結(jié)構(gòu)改造和修飾(比如增加氨基或羥基),使其性能更加完美,更充分地發(fā)揮其作用。

(三)合成具有特定性質(zhì)的自然界并不存在的物質(zhì),以滿足人類的特殊需要,為人類的發(fā)展提供物質(zhì)保障。

五、書寫有機(jī)合成題時(shí)的注意事項(xiàng)

(一)書寫有機(jī)合成題時(shí)需要注意,寫的是合成的流程,而不是化學(xué)方程式。

(二)要結(jié)合題中所給信息進(jìn)行有機(jī)合成,而不是直接合成,若是不按照題目要求進(jìn)行合成路線設(shè)計(jì),即使合成路線正確也不得分。

例5近年來,以大豆素(化合物C)為主要成分的大豆異黃酮及其衍生物,因其具有優(yōu)良的生理活性而備受關(guān)注。大豆素的合成及其衍生化的一種工藝路線如下。

根據(jù)上述路線中的相關(guān)知識(shí),以丙烯為主要原料用不超過三步的反應(yīng)設(shè)計(jì)合成有機(jī)物,寫出合成路線:___。

解析：利用切斷法進(jìn)行分析。

以丙烯為主要原料合成二乙酸-1,2-丙二酯,主要合成工作是由丙烯合成1,2-丙二醇,難度不大,有的考生可能會(huì)根據(jù)高中已學(xué)知識(shí)進(jìn)行如下合成。

該合成路線雖然不超過三步,但是沒有滿足題目要求“根據(jù)上述路線中的相關(guān)知識(shí)”進(jìn)行有機(jī)合成,因此該合成路線雖然正確,但是不得分。

根據(jù)題中所給信息,以丙烯為主要原料用不超過三步的反應(yīng)設(shè)計(jì)合成有機(jī)物可以將丙烯在m-CPBA的作用下生成環(huán)氧化合物,環(huán)氧化合物在酸催化下與水發(fā)生加成反應(yīng)生成1,2-丙二醇,然后1,2-丙二醇和乙酸酐(題中信息顯示,酸酐可以與醇反應(yīng)生成酯)反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物,合成路線如下。

有機(jī)合成路線的設(shè)計(jì)能夠考查考生對(duì)知識(shí)的靈活運(yùn)用能力和遷移能力,也充分體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),預(yù)計(jì)在今后的高考中仍是重要的考查題型。雖然有機(jī)合成路線的設(shè)計(jì)對(duì)考生的能力要求較高,但是只要考生掌握合成路線設(shè)計(jì)的方法和技巧,適當(dāng)強(qiáng)化訓(xùn)練,就能夠交出滿意的答卷。