高考有機(jī)化學(xué)中“合成路線設(shè)計(jì)”類試題的解題策略

摘要：本文討論了有機(jī)合成的主要任務(wù)，詳細(xì)介紹了增長碳鏈、縮短碳鏈、成環(huán)反應(yīng)和開環(huán)反應(yīng)的常見方法和實(shí)例，闡述了在高考有機(jī)化學(xué)“合成路線設(shè)計(jì)”類試題的解題策略，包括倒推法和碳鏈比較法，以期通過典型例題分析，幫助學(xué)生掌握有機(jī)合成的基本思路和方法.

關(guān)鍵詞：有機(jī)合成；倒推法；高考化學(xué)

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2025）07-0137-03

在高考化學(xué)中，“合成路線設(shè)計(jì)”類題目綜合考查了學(xué)生對(duì)有機(jī)反應(yīng)知識(shí)的掌握和應(yīng)用能力.這類題目要求學(xué)生具備分析目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、選擇合適反應(yīng)類型和設(shè)計(jì)合理合成路線的能力.因此，熟悉有機(jī)合成的基本方法和解題策略，對(duì)提升學(xué)生的解題能力具有重要意義.

1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（增長碳鏈或縮短碳鏈，成環(huán)或開環(huán)）和官能團(tuán)轉(zhuǎn)化.

1.1碳骨架的構(gòu)建

1.1.1增長碳鏈

在有機(jī)化學(xué)中，增加目標(biāo)化合物中碳鏈長度是一種常見的合成策略.通過選擇具有反應(yīng)性的官能團(tuán)和催化劑，可實(shí)現(xiàn)碳鏈的延長.常見方法有格氏試劑反應(yīng)、烯烴的加成反應(yīng)等.例如，目標(biāo)化合物為C6H5CH2CH2OH（苯乙醇），其苯乙基由苯環(huán)和乙基組成.通過格氏試劑生成乙基化合物C6H6CH2CH2Br，利用親電加成反應(yīng)在氯化鋁催化下與乙烯反應(yīng)生成苯乙醇，完成碳鏈增長.反應(yīng)方程式示例：

C6H5CH2Br+CH3MgBrC6H5CH2CH2MgBr（格氏試劑反應(yīng)）

C6H5CH2CH2MgBr+CO2

C6H5CH2CH2COOMgBr（加成反應(yīng)）

C6H5CH2CH2COOMgBr+H2O

C6H5CH2CH2OH（水解）

合成過程中關(guān)鍵在于反應(yīng)條件的選擇，如反應(yīng)時(shí)間、溫度以及催化劑等.

1.1.2縮短碳鏈

縮短碳鏈通過去除碳原子或環(huán)化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，常用方法包括氧化還原、斷鏈反應(yīng)等[1].例如，目標(biāo)分子C6H5CH2OH（苯甲醇）可通過氧化去除多余碳原子.使用高錳酸鉀（KMnO4）將苯乙醇氧化為苯甲醛.

反應(yīng)方程式示例：

C6H5CH2OH+KMnO4C6H5CHO+其他副產(chǎn)物（氧化）

合成中的關(guān)鍵是選擇合適的氧化劑以及控制氧化的反應(yīng)條件，以確保不發(fā)生過度氧化.

1.1.3成環(huán)反應(yīng)

成環(huán)反應(yīng)通過化學(xué)反應(yīng)形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，用于天然產(chǎn)物和藥物化學(xué)的合成.常見成環(huán)反應(yīng)包括芳香化、烯烴環(huán)化和自由基反應(yīng).以四氫呋喃（C4H8O）為例，可通過環(huán)氧化物的加氫還原生成.

反應(yīng)方程式示例：

C2H4O+H2C4H8O（還原環(huán)化）

在設(shè)計(jì)成環(huán)反應(yīng)時(shí)，需要關(guān)注環(huán)的大小、立體效應(yīng)以及反應(yīng)的條件，以確保產(chǎn)物的選擇性和反應(yīng)的效率.

1.1.4開環(huán)反應(yīng)

開環(huán)反應(yīng)通過斷裂環(huán)狀結(jié)構(gòu)生成線性化合物.環(huán)氧化物的開環(huán)生成醇類或醛類，需控制反應(yīng)條件避免副產(chǎn)物生成.例如，環(huán)氧乙烷（C2H4O）在NaOH存在下開環(huán)生成乙醇.

反應(yīng)方程式示例：

C2H4O+NaOHC2H5OH+NaOH

開環(huán)反應(yīng)常用于合成分子中的關(guān)鍵官能團(tuán)，因此必須謹(jǐn)慎選擇合適的反應(yīng)條件.

1.2官能團(tuán)的引入

在合成中，引入官能團(tuán)是關(guān)鍵，通過特定反應(yīng)賦予目標(biāo)分子所需化學(xué)性質(zhì).常見官能團(tuán)包括羧基（—COOH）、氨基（—NH2）、鹵素（—X）等.以合成C6H5CH2OH（苯甲醇）為例，溴苯（C6H5Br）通過親核取代反應(yīng)與氫氧化鈉生成苯甲醇.

反應(yīng)方程式示例：

C6H5Br+NaOHC6H5OH+NaBr（親核取代）

在進(jìn)行官能團(tuán)的引入時(shí)，要選擇合適的試劑和條件，以確保所需官能團(tuán)的高效引入和選擇性反應(yīng).

2高考有機(jī)化學(xué)中“合成路線設(shè)計(jì)”類試題的解題策略

2.1倒推法：從目標(biāo)產(chǎn)物出發(fā)，確定核心反應(yīng)與關(guān)鍵步驟

在有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)從目標(biāo)產(chǎn)物出發(fā)，與已知原料進(jìn)行對(duì)比，找出結(jié)構(gòu)上的差異和變化.通過分析目標(biāo)產(chǎn)物所含的官能團(tuán)、碳鏈長度和取代基位置等，倒推需要的中間體和反應(yīng)類型，并確定合成過程中關(guān)鍵的官能團(tuán)引入或轉(zhuǎn)化步驟，以及需要的反應(yīng)類型（如取代、加成、消去、氧化、還原等）.然后，根據(jù)已有的化學(xué)反應(yīng)知識(shí)，設(shè)計(jì)出可行的合成路線[2].

例1含有吡喃萘醌骨架的化合物常具有抗菌、抗病毒等生物活性，一種合成該類化合物的路線如圖1所示（部分反應(yīng)條件已簡(jiǎn)化）.甲苯與溴在FeBr3催化下發(fā)生反應(yīng)，會(huì)同時(shí)生成對(duì)溴甲苯和鄰溴甲苯.依據(jù)由C到D的反應(yīng)信息，設(shè)計(jì)以甲苯為原料選擇性合成鄰溴甲苯的路線（無機(jī)試劑任選）.

解題分析

（1）比較原料與目標(biāo)產(chǎn)物.原料：甲苯（C6H5CH3）；目標(biāo)產(chǎn)物：鄰溴甲苯（C6H4BrCH3）.通過結(jié)構(gòu)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)需要在甲苯的鄰位引入溴原子.

（2）問題關(guān)鍵.直接用甲苯與溴在FeBr3催化下反應(yīng)，會(huì)得到鄰、對(duì)溴甲苯的混合物，無法實(shí)現(xiàn)選擇性合成鄰溴甲苯.因此，需要找到一種方法，能夠引導(dǎo)溴只進(jìn)入甲苯的鄰位.

（3）倒推核心反應(yīng).觀察由C到D的反應(yīng)信息，推測(cè)可能涉及中間基團(tuán)的引入和脫除，以達(dá)到定位和選擇性的目的.

（4）引入磺酸基實(shí)現(xiàn)定位.

步驟一：磺化甲苯

甲苯在濃硫酸作用下發(fā)生磺化反應(yīng)，主要生成對(duì)甲苯磺酸（甲基是鄰、對(duì)位定位基，但對(duì)位位阻較小，產(chǎn)物以對(duì)位為主）.

C6H5CH3+H2SO4C6H4（SO3H）CH3+H2O

步驟二：溴化反應(yīng)

將得到的對(duì)甲苯磺酸與溴在FeBr3催化下反應(yīng).由于磺酸基是強(qiáng)的吸電子基，具有強(qiáng)的鄰位阻礙作用，引導(dǎo)溴只進(jìn)入鄰位，生成鄰溴對(duì)甲苯磺酸.

C6H4（SO3H）CH3+Br2FeBr3C6H3Br（SO3H）CH3+HBr

步驟三：脫磺化

將鄰溴對(duì)甲苯磺酸在高溫下與水蒸氣共熱，脫去磺酸基，得到目標(biāo)產(chǎn)物.

2.2碳鏈比較法：分析碳骨架，合理選擇碳鏈延長方法

當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)物的碳骨架比原料長時(shí)，需要考慮如何延長碳鏈.通過比較原料和產(chǎn)物的碳原子數(shù)，確定需要增加的碳數(shù).常用的碳鏈延長方法包括：Grignard反應(yīng)、Wittig反應(yīng)、羥醛縮合、Knoevenagel縮合等.在設(shè)計(jì)合成路線時(shí)，要選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，以實(shí)現(xiàn)碳鏈的延長和官能團(tuán)的引入.

例2物質(zhì)J是一種具有生物活性的化合物，其合成路線如圖2所示.

已知：

①RCHO+[Ph3P+CH2R′]Br-堿RCHCHR′;

②RCOOH羥酸多聚鱗聚（RCO）2酐O.

參照上述合成路線，以CH3OH和OCH3為原料，設(shè)計(jì)合成OCH3的路線（無機(jī)試劑任選）.

解題分析

（1）分析原料與目標(biāo)產(chǎn)物.原料：甲醇CH3OH和甲醛HCHO或甲酸甲酯等含有一個(gè)碳的有機(jī)物；目標(biāo)產(chǎn)物：含有一定長度碳鏈的酮類化合物OCH3.

（2）碳鏈比較.原料總碳數(shù)為1或2個(gè)碳；目標(biāo)產(chǎn)物的碳數(shù)需要達(dá)到指定數(shù)目.

（3）確定碳鏈延長策略.

使用Wittig反應(yīng)實(shí)現(xiàn)碳碳雙鍵的形成，延長碳鏈.需要先制備磷葉立德，與醛類化合物反應(yīng).

步驟一：甲醇氧化為甲醛

CH3OH|O|HCHO+H2O

步驟二：制備磷葉立德

將溴代甲烷與三苯基膦反應(yīng)，生成甲基三苯基膦溴化物，然后與堿作用，形成磷葉立德.

CH3Br+PPh3[Ph3P+CH3]Br-

[Ph3P+CH3]Br-+堿Ph3PCH2

步驟三：Wittig反應(yīng)

磷葉立德與甲醛反應(yīng)，生成乙烯.

Ph3PCH2+HCHOCH2CH2+Ph3PO

步驟四：進(jìn)一步反應(yīng)

將乙烯進(jìn)行氧化，得到乙二醛或乙醇，再通過氧化或其他反應(yīng)得到所需的酮類化合物.

3結(jié)束語

通過對(duì)有機(jī)合成中碳骨架構(gòu)建和官能團(tuán)引入方法的深入分析，以及對(duì)高考“合成路線設(shè)計(jì)”類試題的解題策略的探討，能夠了解到有機(jī)合成的核心在于合理設(shè)計(jì)反應(yīng)步驟，巧妙構(gòu)建目標(biāo)分子.在實(shí)際應(yīng)用中，靈活運(yùn)用倒推法、碳鏈比較法等方法，結(jié)合具體反應(yīng)條件的選擇，可以有效地設(shè)計(jì)出合理的合成路線.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 鐘輝生，張萬程.高考有機(jī)化學(xué)綜合試題復(fù)習(xí)與命制探索[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2023（10）：62-68.

[2] 陳立.見微知著 循序漸進(jìn)：有機(jī)合成路線問題解題[J].數(shù)理化解題研究，2024（21）：121-123.

［責(zé)任編輯：季春陽］