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有机化合物的合成方法

来源:未知作者:周广 点击:所属专题: 有机合成
有机合成的实质是利用有机反应规律,通过化学反应使有机物的碳链增长、缩短或在碳链上引入、调换各种官能团,以得到不同类型、不同性质的有机物。 (一)有机合成的关键—— 碳骨架的构建和官能团的引入 1. 碳骨架的构建 在有机合成时,起始原料所含的碳骨架并不一定满足合

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    有机合成的实质是利用有机反应规律,通过化学反应使有机物的碳链增长、缩短或在碳链上引入、调换各种官能团,以得到不同类型、不同性质的有机物。

(一)有机合成的关键——碳骨架的构建和官能团的引入

1. 碳骨架的构建

    在有机合成时,起始原料所含的碳骨架并不一定满足合成产品中碳骨架的要求。一般情况下需要增长碳链、增加支链或缩短碳链,有时需要环化。在合成时一定要考虑如何形成新的碳骨架,以满足合成产品的结构要求。

    (1)碳链增长:如有机原料物分子中的碳原子数小于目的物分子中碳原子数,有机合成中就需要增长碳链。有机合成题中碳链的增长,一般会以信息形式给出,常见的方式为取代反应、酯化反应、有机物与HCN反应以及不饱和化合物间的聚合等。

    增加一个碳原子,可以利用卤代烃与NaCN的取代反应或醛、酮与HCN的加成反应:

    RCl+NaCN→ RCN + NaCl

    有机化合物的合成方法

    增加两个以上碳原子,可以利用的反应很多,例如:

    RCl+NaOR”→ROR”+NaCl

    RCl+NaC≡CH→RC≡CH+NaCl

    RCl+ NaOOCCH3→RCOOCH3+NaCl

    有机化合物的合成方法

    (2)碳链缩短:若有机原料物分子中的碳原子数大于目的物分子中的碳原子数,有机合成中就需要缩短碳链。如某些烃(如苯的同系物、烯烃)的氧化,酯、糖和蛋白质的水解反应,羧酸盐脱羧反应等。

    (3)有机物成环规律

    ①二元醇脱水成醚

    ②羟基酸分子内脱水生成环酯

    ③羟基酸分子间形成环酯

    ④多元醇与多元羧酸进行分子间脱水形成环酯

    ⑤二元羧酸脱水成有机化合物的合成方法酸酐

2. 官能团的引入与转化

    在有机合成中还要考虑在特定的位置上引入所需的官能团,这就要求在碳骨架合成设计的同时考虑官能团的引入问题。

    (1)官能团的引入规律

    ①引入羟基(-OH):烯烃与水的加成反应、醛酮与氢气的加成反应、 卤代烃的碱性水解反应、酯的水解反应等。

    ②引入卤原子(-X):烃与X2的取代反应、不饱和烃与HX或X2的加成反应、醇与HX的取代反应等。

    ③引入双键:炔烃的不完全加成、某些醇或卤代烃的消去反应引入C=C键、醇的氧化反应引入C=O键等。

    ④引入羧基:醛的氧化反应、苯的同系物与酸性高锰酸钾溶液的氧化反应、酯的水解反应等。

    (2)官能团的消除规律

    ①通过加成反应消除不饱和键。

    ②通过消去反应、氧化反应、酯化反应等消除羟基(-OH)。

    ③通过加成反应或氧化反应等消除醛基(-CHO)。

    (3)官能团间的衍变规律

    根据合成需要(有时题目信息中会明示某些衍变途径)可进行有机物的官能团衍变,以使中间物向产物递进。常见的有三种方式:

    第一种是利用官能团的衍生关系进行衍变,如:

    伯醇有机化合物的合成方法醛→羧酸;

    第二是通过某些学途径使一个官能团变成两个,如:

    有机化合物的合成方法

    第三种是通过某种手段,改变官能团的位置等。如:

    有机化合物的合成方法

    (4)烃及烃的衍生物的转化纽带——卤代烃

    卤代烃的化学性质通常比烃活泼,能发生许多化学反应,例如取代反应,消去反应等,从而转化成各种其他类型的化合物。因此,在烃分子中引入卤原子常常是改变分子性能的第一步反应,在有机合成中起着重要的桥梁作用。

 

(二)有机合成路线的设计

    有机合成主要是利用一些基本原料(如甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丁二烯、苯、甲苯等)设计合成路线来合成有机物。根据有机物结构将其划分为“若干部分”,据此确定合成原料—反应物。如:

    有机化合物的合成方法

    首先要对比原料与产品的结构差别,找出需要连接的碳链和需要安装的官能团,然后在熟知物质性能的基础上寻找解决问题的途径即设计合成路线。

  1. 设计合成有机物的路线时遵循的原则

    ⑴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,所要得到的产物率尽可能高且易于分离,避免产生副产品多的反应。

    ⑵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。

    ⑶要按一定的反应顺序和规律引入官能团,必要时要采取一定的措施保护已引入的官能团。

    ⑷所选用的合成原料要绿色且易得、经济;所选用的催化剂无公害性。

    归纳总结:当有几条合成路线时,就需要以绿色合成思想为指导,通过优选确定最佳合成路线。例如,一个具有10步反应的合成路线,如果每步反应的产率为80%,最后总产率只有10.7%;如果每步反应的产率只有70%,最后产率只有2.8%。因此合理的合成路线要求反应步骤少,每步反应产率高,所以选择一个合理的路线要求反应步骤少,每步反应产率高。所以选择一个合理的路线需要衡量各方面因素后,才能确定。

  2. 设计合成有机物路线的方法

    ①正推法:从确定的某种原料分子开始,逐步转向目标分子的合成路线。即:原料→中间产物→产品。

    ②逆推法:采用逆向思维方法,从产品组成、结构、性质入手,逆推出合成该物质的前一步有机物X,若X不是原料,再进一步逆推出X 又是如何从另一种有机物Y经一步反应而制得的,如此类推,直至推出合适的原料。即从目标分子开始,采取从产物逆推出原料来设计合理合成路线的方法。

    逆推法合成路线的设计是一种解决合成问题的思想方法和技巧。自逆推法产生以来,有机化学家们借助这些方法完成了一系列重大合成,大大推进了有机合成的发展。

  (三)有机合成应用

    天然的橡胶来源于橡胶树分泌的液体,经过提炼制得天然橡胶。但是这样的工艺产量相对较少,不能满足人们对橡胶的大量需要。这个时候,就要靠有机合成发挥作用了。又如:我们知道三硝基甲苯(TNT)是炸药,国防领域的科学家们提出:如果在立方烷上连接尽量多的硝基,就可能得到爆炸威力大得多的物质。经过反复试验,终于获得了“超级炸药”的八硝基立方烷〔分子式为C8(NO2)8〕。

    在有机合成的过程中,许多反应被人们认识,新的理论被发现,而这些新的反应、新的理论为后续的有机合成提供了强有力的支持,不断有更多的、更新的物质被合成出来。

 

【典例精析】

  例1. 酸牛奶中含有乳酸,其结构简式为:CH3CH(OH)COOH它可由乙烯来合成,方法如下:

    有机化合物的合成方法

有机化合物的合成方法

    (1)A→B的反应类型为_____________。

    (2)写出下列反应的化学方程式:

    A的生成__________________________。    CH3CHO的生成______________________。

    C的生成________________________。

    解析:本题提供了合成的路线和反应条件,重在考察同学们的基础知识和观察能力。而有些问题虽然也提供相应合成路线,但侧重于合成方案的选择。

    答案:(1)水解反应(或取代反应)

    (2)有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

    CH3CHO+HCN→CH3CH(CN)OH

    点评:熟悉各类有机物的主要化学性质是解决此类问题的前提,要注意加强基础知识的积累。

 

  例2. 已知有机化合物的合成方法,试以1-丁烯为主要原料合成CH3CH2COCOOCH(CH3)CH2CH3,并写出有关化学方程式。

    解析:要正确解答此题,需有扎实的基础知识及灵活的信息迁移能力。其思路为:

    ①通过分析找规律,从给出的反应中可找出丙烯与水反应的规律。即水与烯烃加成反应中-OH加在双键中含H原子较少的碳原子上。同时从给出的反应中可找出醇类氧化的规律。

    ②通过找联系,确定合成的中间产物。题目中要求用1-丁烯合成 CH3CH2COCOOCH(CH3)CH2CH3

    可分解为CH3CH2COCOOH和CH3CH(OH)CH2CH3

                  (酸)            (醇)

    经过比较就可以看出原料1-丁烯和制取的产物的关系。

    ③根据要求理顺思路,得合成路线为:

    有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

    答案:CH3CH2CH=CH2+Br2→CH3CH2CHBrCH2Br

    有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

    点评:逆推法合成有机化合物关键是结合原料,找准目标产物的断键位置,然后逐步分析、推断。

 

  例3. 写出乙醇制取乙二醇的化学方程式____________________________。

    解析:此题为增加官能团数目的合成,可考虑先消去再加成。

    答案:CH3CH2OH有机化合物的合成方法CH2=CH2↑+H2O

    CH2=CH2+Br2→CH2BrCH2Br    CH2BrCH2Br+2H2O有机化合物的合成方法CH2(OH)CH2(OH)  +2Hbr

    点评:本题由目标到产物碳的骨架不变,只是引入官能团,故采用正推法即可。

 

  例4. 实验室常用格氏试剂制取醇类,以A为原料合成乙酸异丁酯[CH3COOCH(CH3)CH2CH3]的流程如下(部分反应物及反应条件没有列出),A主要来源于石油裂解气,A的产量常作为衡量石油化工水平的标志。试回答:

有机化合物的合成方法

    (1)上述流程中,属于或含加成反应的是(填序号)____________________。

    (2)写出F的结构简式__________________。

    (3)写出下列反应的化学方程式:

    反应①_____________________________;

    反应⑥_____________________________。

    解析:由题意知A为乙烯,显然B为乙醇,C为乙醛,D为乙酸。要想得到乙酸异丁酯,关键是得到异丁醇,E为卤乙烷,C为乙醛,与格氏试剂反应引入两个碳水解后得异丁醇与D乙酸反应得产物。

    答案:(1)①④⑥      (2)CH3CH2MgX

    (3)有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

    点评:醛、酮与格氏试剂加成是有机合成常用的重要手段,要熟练掌握加成反应实质及两步反应的产物。

 

【精选试题】

一. 选择题

  1. 下列有机物不能以苯为原料一步制取的是(    )

    A. 有机化合物的合成方法                       B. 有机化合物的合成方法

    C. 有机化合物的合成方法                         D. 有机化合物的合成方法

  2. 烯烃在一定条件下发生氧化反应时,C=C双键可以断裂,RCH=CHR’可氧化成RCHO和R’CHO,在该条件下,下列烯烃分别被氧化后,产物中可能有乙醛的是(    )

    A. CH3CH=CH(CH2)2CH3

    B. CH2=CH(CH2)3CH3

    C. CH3C(CH3)=C(CH3)CH3

    D. CH3CH2CH=CHCH2CH3

  3. 以葡萄糖为原料经一步反应不能得到的是(    )

    A. 二氧化碳                B. 己醛                C. 己六醇                    D. 葡萄糖酸

  4. 下列有机物在一定条件下自身分子间能发生缩聚反应,而在适宜条件下分子内又能形成环状结构的是(    )

    A. 有机化合物的合成方法                           B. CH2=CH-Cl

    C. CH3CH2COOH                        D. HO(CH2)4COOH

  5. CH2(OH)CH(CH3)CHO转变成(CH3)2C=CH2需要经过下列哪种合成途径(    )

    A. 脱水→加成→脱水                B. 加成→消去→脱水

    C. 加成→消去→加成                D. 取代→消去→加成

  6. 1,4–二氧六环是一种常见的溶剂,它可以通过下列方法制得:

有机化合物的合成方法

         A. 有机化合物的合成方法,则烃类A可能是(    )

    A. 丁烯                B. 丁炔                C. 乙炔                D. 乙烯

  7. 卤代烃能发生下列反应:2CH3CH2Br+ 2Na→CH3CH2CH2CH3+2 NaBr,下列有机物可以合成环丙烷的是(    )

    A. CH3CH2CH2Br                        B. CH3CHBrCH2Br

    C. CH2BrCH2CH2Br                     D. CH3CHBrCH2CH2Br

  8. 组成C3H5O2Cl的有机物甲在NaOH溶液中加热后,经酸化可得组成为C3H6O3的有机物乙。在一定条件下,两分子乙能发生酯化反应生成一分子丙,丙的结构不可能是(    )

    A. CH3CH(OH)COOCH(CH3)COOH

    B. CH3CH(OH)COOCH2CH2COOH

    C. 有机化合物的合成方法

    D. 有机化合物的合成方法

  9. 合成聚丙烯腈纤维的单体是丙烯腈,它可以由以下两种方法制备。

    方法一:有机化合物的合成方法

    方法二:有机化合物的合成方法

    ①方法二比方法一反应步骤少,能源消耗低,成本低。

    ②方法二比方法一原料丰富,工艺简单。

    ③方法二比方法一降低了有毒气体的使用,减少了污染。

    ④方法二需要反应温度高,耗能大。

    以上两种分析正确的是(    )

    A. ①②③           B. ①③④          C. ②③④               D. ①②③④

 

二. 非选择题

  10. 以乙烯和其他无机试剂为原料合成有机化合物的合成方法草酸二乙酯:CH3CH2OOCCOOCH2CH3写出化学方程式

  11. 以有机化合物的合成方法为原料,并以Br2与其他试剂制取有机化合物的合成方法,写出有关的化学方程式,并注明反应条件(注:已知碳链末端的羟基能转化为羧基)

【参考答案】

一. 1. C    2. A    3. B   4. D    5. A    6. D     7. C    8. B    9. A

二. 10. CH2=CH2+H2O有机化合物的合成方法CH3CH2OH

    CH2=CH2+Cl2有机化合物的合成方法CH2ClCH2Cl

    CH2ClCH2Cl+2H2O有机化合物的合成方法CH2OHCH2OH+2HCl

    CH2OHCH2OH+O2有机化合物的合成方法OHC-CHO+2H2O

    OHC-CHO+O2有机化合物的合成方法HOOCCOOH

    HOOCCOOH+2CH3CH2OH有机化合物的合成方法CH3CH2OOCCOOCH2CH3+ 2H2O

  11.

    有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

    有机化合物的合成方法

(责任编辑:化学自习室)
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