高考试题中有机合成路线的设计

■河南省郑州市第一中学 刘善超

有机合成所产生的新物质丰富了人类生活,美国有机化学家伍德沃德(被誉为现代有机合成之父)曾说过:有机合成使人类在旧的自然界旁又建立起一个新的自然界,改变了社会上物质及商品的面貌,使人类生活发生了巨大的改变。

有机合成包括有机合成的主要任务(构建碳骨架和引入官能团)、有机合成的主要方法(逆向合成分析法)和有机合成的重要应用三个方面的内容。有机合成既是有机化学学习中的重点和难点,又是近年来高考中的高频考点,因此学好有机合成显得至关重要。

一、有机合成的主要任务

有机合成路线设计的关键在于构建目标化合物的碳骨架(增长碳链或缩短碳链,开环或成环)和官能团转化。

1.碳骨架的构建。

(1)增长碳链。

常见的碳链增长的方法:羟醛缩合反应、酯缩合反应、醛酮和HCN 的加成反应、卤代烃和NaCN 的取代反应、卤代烃和炔化钠的反应、格氏试剂和醛酮的反应、格氏试剂和CO2的反应、格氏试剂与环氧乙烷的反应、傅-克烷基化反应和傅-克酰基化反应等。

①卤代烃和炔化钠的反应:

②卤代烃和NaCN 的反应(增加一个碳原子):

③格氏试剂和醛的反应:

④格氏试剂和环氧乙烷的反应(增加两个碳原子):

⑤格氏试剂和CO2的反应(增加一个碳原子):

⑥傅-克烷基化反应(增加一个或若干个碳原子):

(2)缩短碳链。

常见的缩短碳链方法有:烯、炔烃和酸性高锰酸钾溶液的反应,苯的同系物和酸性高锰酸钾溶液的反应,石油的裂化、裂解反应等。

苯的同系物和酸性高锰酸钾溶液的反应如下:

(3)成环反应。

碳链成环方法:D-A 反应。

除D-A 反应以外,成环反应还有分子内的羧基和羟基形成内酯的反应、多元羧酸形成环状酸酐的反应、多羟基醇脱水成环醚的反应、分子内的羧基和氨基形成内酰胺的反应等。

(4)开环反应。

常见的开环方法有:环烯烃的氧化反应、环状酸酐的水解反应、环内酯的水解反应等。

其中环烯烃的氧化反应如下:

2.官能团的引入。

(1)碳碳双键的引入:炔烃和氢气发生加成反应得到,或卤代烃、醇发生消去反应得到。

(2)碳碳三键的引入:卤代烃发生消去反应得到。

(3)羟基的引入:卤代烃发生水解反应得到,或醛、酮与氢气发生加成反应得到。

(4)羰基的引入:醇发生氧化反应生成醛或酮(引入羰基)。

(5)羧基的引入:醇或醛发生氧化反应生成羧酸(引入羧基)。

(6)卤素原子的引入:烯、炔烃和HX 或X2发生加成反应得到,或烃和X2发生取代反应得到。

二、有机合成中需要关注的内容

1.掌握有机化学试题中出现的有机给予信息。

(1)羟醛缩合反应。

醛和醛、醛和酮或酮和酮之间,其中一个有α-H 的醛或酮在强碱的作用下生成碳负离子,然后碳负离子和另一分子中的羰基发生反应后生成β-羟基醛或β-羟基酮,其再进一步脱去水后变为烯醛或烯酮的反应称为羟醛缩合反应,这是有机反应中增长碳链的一种重要方式。

两分子乙醛发生羟醛缩合反应:

反应机理:

(2)酯缩合反应。

发生缩合反应时,CH3CH2ONa具有较强的碱性,其作为碱可以夺取酯的亚甲基中的一个氢离子使酯中亚甲基变成碳负离子,然后碳负离子作为一个亲核试剂与另一分子酯发生亲核取代反应,其结果就相当于两分子酯脱去一分子醇后形成一种酮酯。注意酯在碱性条件下发生反应时要求其中一分子酯中必须有α-H。

酯缩合反应涉及α-H 的机理,从有机反应类型来看,属于取代反应,即:

例1羟甲香豆素是一种治疗胆结石的药物,合成路线如下所示:

(1)A 属于芳香烃,其结构简式是_____。B中所含的官能团是_____。

(2)C→D 的反应类型是____。

(3)E 属于酯类。仅以乙醇为有机原料,选用必要的无机试剂合成E,写出有关化学方程式:____。

(5)以D 和F 为原料合成羟甲香豆素分为三步反应,写出有关化合物的结构简式:

解析：试题中难度最大的就是E 生成F和C2H5OH 的反应,从合成路线分析,考生会误认为分子E(C4H8O2)是乙酸乙酯,发生了酯的水解反应。从第(4)问的问题可以得知,2个E分子(并不是一个E分子)发生反应生成了F和乙醇,即两分子乙酸乙酯发生了酯缩合反应,生成了CH3COCH2COOCH2CH3和C2H5OH。纵观本题所给信息发现,本题中并没有给出酯缩合反应的信息,由此可见,这些信息是需要考生在平时学习的过程中逐渐积累并掌握的。

2.掌握常见的基团保护方式和去保护方式。

(1)醛基的保护和去保护。

比如说一个有机物中既有羰基(醛和酮)又有碳碳双键,若只让碳碳双键发生加成反应,就需要先把醛基保护起来,等碳碳双键发生加成反应后,再发生去保护反应重新变为羰基。

保护羰基的方法:醛(或酮)和醇反应生成缩醛(或缩酮)。

羰基去保护的方法:缩醛(或缩酮)在酸性条件下重新变为醛(或酮)。

例2根据下列已知信息,以丙烯及其他必要的有机试剂为原料合成CH3COCH2OH,无机试剂任选,写出合成流程:___。

信息分析:信息(1)中保护羰基的方法:酮先和乙二醇发生反应生成缩酮。

去保护的方法:缩酮在酸性条件下反应重新变为酮。

信息(2)中酯在还原剂LiAlH4作用下还原为醇。

解析：结合题中所给信息,可以设计出前半段合成路线:

结合题中信息(2)给出的知识,若要得到目标产物,就需要将—COOH 先酯化生成酯基,再将酯基还原为—CH2OH。由于在还原过程中也会被一并还原,因此先利用醛或酮与醇反应生成缩醛或缩酮保护羰基,待分子中酯基被还原为羟基后,再让缩醛或缩酮发生去保护反应变为羰基,从而起到保护羰基的作用。

(2)酚羟基的保护和去保护。

苯酚中的羟基很容易被氧化剂氧化,因此在反应中一般先把酚羟基保护起来,等发生氧化反应后,再发生去保护反应重新生成酚羟基。

苯酚和碘甲烷或硫酸二甲酯[(CH3)2SO4]反应生成苯甲醚,保护酚羟基;然后苯甲醚和HI发生去保护反应又重新生成苯酚。

例3工业上用甲苯生产对羟基苯甲酸乙酯,其生产过程如下:

问题:在上述合成线路中,设计第③和⑥这两步反应的目的是____。

答案：保护酚羟基,防止酚羟基被氧化

三、有机合成的主要方法

有机合成路线设计的实施流程如下:基础原料→中间体1→中间体2…→目标产物,常见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。

逆合成分析法又称切断法,是一种逆向的逻辑思维方法,从分析目标分子的结构着手,根据分子中各原子间连接方式(化学键)的特征,运用有机化学反应方法,判断出官能团的种类和位置,选择合适的化学键进行切断,将目标分子转化成一些较小的中间体;再以这些中间体作为新的目标分子,将其切断成更小的中间体;依次类推,直到推导至原料。

例4以乙烯为唯一的有机原料(无机原料和催化剂任选),设计合成二丙酸乙二酯的路线。

分析：本题提供的原料虽然简单,但是目标产物比较复杂,因此采用逆向合成分析法,从产物对其结构进行分析,找出合理的断键位置。

答案：

四、有机合成的重要应用

有机合成的重要应用体现在以下三个方面。

(一)改进已有的有机合成路线或工艺,以便取得更高的产率或更加符合“绿色化学”的要求。

(二)对天然有机化合物进行局部的结构改造和修饰(比如增加氨基或羟基),使其性能更加完美,更充分地发挥其作用。

(三)合成具有特定性质的自然界并不存在的物质,以满足人类的特殊需要,为人类的发展提供物质保障。

五、书写有机合成题时的注意事项

(一)书写有机合成题时需要注意,写的是合成的流程,而不是化学方程式。

(二)要结合题中所给信息进行有机合成,而不是直接合成,若是不按照题目要求进行合成路线设计,即使合成路线正确也不得分。

例5近年来,以大豆素(化合物C)为主要成分的大豆异黄酮及其衍生物,因其具有优良的生理活性而备受关注。大豆素的合成及其衍生化的一种工艺路线如下。

根据上述路线中的相关知识,以丙烯为主要原料用不超过三步的反应设计合成有机物,写出合成路线:___。

解析：利用切断法进行分析。

以丙烯为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,难度不大,有的考生可能会根据高中已学知识进行如下合成。

该合成路线虽然不超过三步,但是没有满足题目要求“根据上述路线中的相关知识”进行有机合成,因此该合成路线虽然正确,但是不得分。

根据题中所给信息,以丙烯为主要原料用不超过三步的反应设计合成有机物可以将丙烯在m-CPBA的作用下生成环氧化合物,环氧化合物在酸催化下与水发生加成反应生成1,2-丙二醇,然后1,2-丙二醇和乙酸酐(题中信息显示,酸酐可以与醇反应生成酯)反应生成目标产物,合成路线如下。

有机合成路线的设计能够考查考生对知识的灵活运用能力和迁移能力,也充分体现了化学学科核心素养,预计在今后的高考中仍是重要的考查题型。虽然有机合成路线的设计对考生的能力要求较高,但是只要考生掌握合成路线设计的方法和技巧,适当强化训练,就能够交出满意的答卷。