高中化學(xué)競賽第17講有機化合物的合成

第17講有機化合物的合成

【競賽要求】

有機合成的一般原則。引進各種官能團（包括復(fù)合官能團）的方法。有機合成中的基團保護。導(dǎo)向基。

碳鏈增長與縮短的基本反應(yīng)。有機合成中的選擇性。

【知識梳理】

一、有機合成的一般原則

有機合成是有機化學(xué)的重要組成部分，是建立有機化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)，有機合成一般都應(yīng)遵循下列原則：

1、反應(yīng)步驟較少，總產(chǎn)率高。一個每步產(chǎn)率為80%的十步合成的全過程產(chǎn)率僅為10.7%,而每步產(chǎn)

率為40%的二步合成的全過程產(chǎn)率達16%。因此要盡可能壓縮反應(yīng)步驟，以免合成周期過長和產(chǎn)率過低。

2、每步的主要產(chǎn)物易于分離提純。要力求采用只生成一種或主要生成一種的可靠反應(yīng)，避免生成各

種產(chǎn)物的混合物。

3、原料易得價格便宜。通常選擇含四個或少于四個碳原子的單官能團化合物以及單取代苯等作為原

料。

在實際合成中，若欲合成芳香族化合物時，一般不需要合成芳香環(huán)，盡量采用芳香族化合物作為起始

物，再引入官能團；若欲合成脂肪族化合物時，關(guān)鍵的步驟是合成碳骨架并同時考慮官能團的引入，引入

的官能團可能并非為所需產(chǎn)物中的官能團，但可以通過官能團的轉(zhuǎn)變，形成所需產(chǎn)物中的官能團。

二、有機物的合成方法（包括碳架的建立、各種官能團引進等）

（-）芳香族化合物的合成

1、合成苯環(huán)上僅連有一個基團的化合物

一般以苯為原料，通過芳香煌的親電取代反應(yīng)引入基團，如表17-1；通過芳香重氮鹽的親核取代反

應(yīng)引入基團，如表17-2；也可以通過活化的芳香鹵燒的親核取代引入基團，如表17-3。

/BR

2、合成苯環(huán)上僅連有兩個基團的化合物A「H___>A

如果所需合成的化合物兩個基團相互處于鄰位或?qū)ξ唬瑒t其中至少有一r、NO,

個基團屬于鄰、對位定位基；如果所需合成的化合物兩個基團相互處于間位，

則其中至少有一個基團屬于間位定位基。例如:

合成苯環(huán)上含有兩個基團的化合物時，如果

兩個兩個基團相互處于鄰位或?qū)ξ唬鴥蓚€基團

都不是鄰、對位定位基或兩個基團相互處于間

位，但都不是間位定位基，在這兩種情況下，一般不能依靠其中一個基團的定位作用將另一個基團引入所

需的位置上，而需要通過中間轉(zhuǎn)化過程來實現(xiàn)。具體辦法有：

（1）對于親電取代反應(yīng)，在合成順OC2H5cl2H5HNO3；0亦/飛-<2H5KMn、

序中，若會形成鄰、對位定位基中間體，JA3'J2'"SO.2二=/2'△

則進行親電取代反應(yīng)，例如由苯合成對5N。一COOH衛(wèi)2a..SN-Ococ】空地里O3N-Q-?CH3

硝基苯甲酮。

賽17_]通紀(jì)t為否運的親電取代反■應(yīng)弓]入垂回

______________________________________________令亍主的垂團

直接弓I人甚囪

弟一代/二代分三代

—TiCOCOCF^a-I—OCOR

—OH

{—OR

—ZH—COR

—NO-

a{一Z；------見妻17-2

—SOsH

<—COR

—CTHOHR

\}>v-eg黃’

—CHaOH

、—COOH

—COOR

—CONHa

—COR

A4—cox-r—COR

L—CHO

—CHaOH

J—C=NT

—R--------

J—CW2C1

表17-2通過芳香重氮鹽的親核取代反應(yīng)弓1人基因

_______________________________衍生的基因______________________________

直接弓1人基因

第一代第二代第三代

?-NH2-----一NfHCOR

-H—MgX——見表17-1

J'-COOR

-NO2-CONH

-COOH—2

-CN--COX----------------->-CHO

-CH2OH------------->{_CH*

&L一CH2OCOR

、-CHNH>-CHNHCOR

-OR222

-OAr

k-°H

表17-3通過活化的芳香鹵煌的親核取代弓1人基團

直接弓1人基團衍生的基團

，一NH?----------------------------------------------------5--NHCOR

—NHR---------------------------------------------------R-WHCOR/

-NR2

Ar-H-SH------------------------------------------------------SCOR

1

-SR

Ar-X*

-OH

-OR

-OCOR

*注：在鹵素的鄰位或?qū)ξ恢辽儆幸粋€，最好是兩個下列基團：一NO?、-CN、-SO2R>-COR

（2）引入一種基團，這種基團具有一定的定位作用，待第二基團引入后，再除去這種基團，例如由

苯合成間二澳苯。

/Br___Br___Br___Br

0—0所一U-Qz-0z—0z

N

NO2NH22Br

3、當(dāng)用取代苯作為起始物時，可通過改變起始物取代基轉(zhuǎn)化的先后順序來決定最終產(chǎn)物分子中基團

的相對位置，例如由甲苯合成硝基苯甲酸。

-。-書O—C8H會COOH

NO2

&O—CH3暖：,K啜。二ON^Q)-COOH

O2N^2>_CH32

在將兩個基團引入到苯環(huán)上時，應(yīng)考慮以下兩個問題:

（1）在由選擇余地時，首先引入最強的致活基團或最弱的致鈍基團進入苯環(huán)。

（2）要特別注意某些反應(yīng)條件的要求。

例如合成時，有下述兩種合成途徑:

C2H5clBro

—c由號

AlCh

BrC2H5

C2H5C1)

A1C13(X)

顯然第一條途徑較好，在引入致活基團一C2H5后有利于第二步反應(yīng)；而第二條途徑引入的Br是致鈍

基團，下一步付-克反應(yīng)不能進行。

（二）脂肪族化合物的合成

在合成脂肪族化合物時，首先要考慮的問題是如何建立碳架；其次若還有官能團存在，則在建立碳架

的同時，還需要考慮官能團的建立。一般是將兩個或三個預(yù)先形成的碎片按一定的方式連接，使形成的官

能團恰好在所需的位置，這一步是整個合成步驟中最關(guān)鍵的一步。

通過親核加成反應(yīng)形成碳-碳鍵和通過親核取代反應(yīng)形成碳-碳鍵的典型反應(yīng)如下。

1、通過親核加成反應(yīng)形成碳-碳鍵的反應(yīng)

R1COOH

OOH

RxCOCi星父RL8-R2X”R1-i-R2

R1COOR,R?

OOH

HC(OR)3------->RX-C-H艮2M吟R1—CH-R2

O

H-C-H-------->RICH2OH

R】、/J

>C=O+Ph3P+C\

R2FU

2、通過親核取代反應(yīng)形成碳-碳鍵的反應(yīng)

R-C三C-H冏%>，R-C=C-Na+堂R-C=C-R'

c-

7°￡■..:l

一

COOC2H5COOC2H5COOH口

a,nHO/HTIRK

HC-RR—C—R-------2-T——>R—C—R——>^CHCOOH

NaOC2H5’IAI△C

COOCH

25COOC2H5-COOHR

OOOOOQ

1111NaocoHsnnRX11nHO/H

CH3CCH2COC2H52c5ACH3CCHCOC2H5-------->CHCCHCOCH2--->

-3I25

R

Qno11

CH3C—fHCOOHCH3C—CH2R

R

3、形成雙官能團化合物的反應(yīng)

(1)1,1-雙官能團化合物

OH

OR

工vx

>c或OH一4、C_

IIn

oo

-CHCOOH—CHCOOH

2pI

Br

(2)1,2-雙官能團化合物

KMnQ4

>=<中性盜溶液’

OHOH

—

I

ooo

ns2nn

eeOee

(3)1,3-雙官能團化合物

——>Br-CH2—CH2—CH2-Br

\MOH-二WIWKMnO

2^tH-C-OR——C-C-OR4hHOOCCHCHCHCOOH

-△-222

（4）1,4-雙官能團化合物

KM11O4

—HOOCCH2cH2CHCH2COOH

02

三、有機合成中的基團保護、導(dǎo)向基

(一)基團保護

在有機合成中，些不希望起反應(yīng)的官能團,在反應(yīng)試劑或反應(yīng)條件的影響下而產(chǎn)生副反應(yīng)，這樣就不

能達到預(yù)計的合成目標(biāo)，因此，必須采取對這些基團進行保護，完成合成后再除去保護基，使其復(fù)原。

對保護措施一定要符合下列要求：①只對要保護的基團發(fā)生反應(yīng)，而對其他基團不反應(yīng)；②反應(yīng)較容

易進行，精制容易；③保護基易脫除，在除去保護基時，不影響其他基團。

下面只簡略介紹要保護的基團的方法。

1、羥基的保護

在進行氧化反應(yīng)或某些專堿性條件進行的反應(yīng),往往要對羥基進行保護。如防止羥基受堿的影響，可

用成酸反應(yīng)。-OH*-OR?

防止羥基氧化可用酯化反應(yīng)。-OH—-O-C-R

2、對氨基的保護Q

氨基是個很活潑的基團，在進行氧化、烷基化、磺化、硝化、CH.CQC1ZHI

一NH。----4-NH2-C-CH3

鹵化等反應(yīng)時往往要對氨基進行保護。曲膝麻

(1)乙?；?/p>

(2)對NR?可以加H+質(zhì)子化形成季筱鹽，-NH2也可加H+成-NH；而保護。

3、對能基的保護

默基，特別是醛基，在進行氧化反應(yīng)或遇堿時，往往要進行

-CHO+2ROHCH(OR)

保護。對埃基的保護一般采用縮醛或縮酮反應(yīng)。2

0CH20HFT

II+I

R—C—RCH20H

4、對竣基的保護

竣基在高溫或遇堿性試劑時，有時也需要保護，對粉基的保護最常用的是酯化反應(yīng)。

-COOH+R-OH-COOR

5、對不飽和碳碳鍵的保護

碳碳重鍵易被氧化，對它們的保護主要要加成使之達到飽和。

==<

yp~\+H2。--->—C—C—+Br2------------a_I一夕—

OHHBrBr

(―)導(dǎo)向基

在有機合成中，往往要“借”某個基團的作用使其達到預(yù)定的目的，預(yù)定目的達到后，再把借來的基

團去掉，恢復(fù)本來面貌，這個“借”用基團我們叫“導(dǎo)向基”。當(dāng)然這樣的基團，要符合易“借”和易去

掉的原則，如由苯合成1,3,5-三漠苯，在苯的親電取代反應(yīng)中，漠是鄰、對位取代基，而1,3,5-三澳苯

互居間位，顯然不是由澳的定位效應(yīng)能引起的。但如苯上有一個強的鄰、對位定位基存在，它的定位效應(yīng)

比溪的定位效應(yīng)強，使澳進入它的鄰、對位，這樣浪就會呈間位，而苯環(huán)上原來并無此類基團，顯然要在

合成時首先引入，完成任務(wù)后，再把它去掉，恰好氨基能完成這樣的任務(wù)，因為它是一個強的鄰、對位定

位基，它可如下引入：

-H--NO2---NH2,同時氨基也容易去掉：-NH2f-N：----H

因此，它的合成路線是:

N2OSO3H

Br

根據(jù)導(dǎo)向基團的目的不同，可分為下列幾種情況:

I、致活導(dǎo)向P?/\

假如要合成可以用△上

C6H5Br

但這種方法產(chǎn)率低，伍丹丙酮兩個甲基活性一樣，

會有副反應(yīng)發(fā)生:

/\

C6HsBr、

/\堿C6H5—^------>C6H5C6H5

堿

但在丙酮的一個甲基上導(dǎo)入一個致活基團，使兩個甲基上的氫的活性有顯著差別，這可用一個乙酯基

(-COOC2H5)導(dǎo)入丙酮的一個甲基上，則這個甲基的氫有較大的活性，使這個碳成為羊基澳進攻的部位,

因此，利用乙酰乙酸乙酯而不用丙酮，完成任務(wù)后，把乙酯基水解成竣基，利用夕-酮酸易于脫峻的特

性將導(dǎo)向基去掉，于是得出合成路線為:/\

)

COOC，H502Hs°N,^^cOOC2H5辿~COOC2H51H3O

2)△

?C6H5

2、致鈍導(dǎo)向尸\_

活化可以導(dǎo)向，有時致鈍也能導(dǎo)向，如合成HzN-Q7Fr

氨基是很強的鄰、對位定位基，進行取代反應(yīng)時容易生成多

元取代物：

如只在苯胺環(huán)上的氨基的對位引入一個溟，必須將氨基的活性降低，這可通過

乙酰化反應(yīng)來達到，同時乙酰氨基是一個鄰、對位定位基，而此情況下對位產(chǎn)物是主要產(chǎn)物:

NHNHCOCH3

2HCOCH3

Bn)七0)9

BrBr

3、利用封閉牖!立置來導(dǎo)向

例如合成°2,用苯胺為起始原料，用混酸硝化,一方面苯胺易被硝酸氧化，另

一方面，苯胺與硫酸還會生成硫酸鹽，而?H是一個間位定位基，硝化時得到

—4H

嚴(yán)2

G代以苯胺硝化時，要把苯胺乙酰化后，再硝化。

嚴(yán)NHCOCH3HCOCH3NHCOCH3

04-

NO,

NO2

頌曷(主要)

(90%)

由于乙酰基此時主要是對位產(chǎn)物，所以仍不能達到目的。如果導(dǎo)向一個磺酸基，先把氨基的對位封閉,

再硝化，可以得到滿意結(jié)果：

嚴(yán)2NHCOCH?HCOCHNHC0CH3

3NH2

QpNO57%H%(

0,2O2

SO3HSO3H

四、碳鏈增長與縮短的基本反應(yīng)

1、碳鏈增長的反應(yīng)

起始原料反應(yīng)及產(chǎn)物

烯類

(A：-CHO,-CN,-COOR,-COOH,-NOa等)

o

I

\n

zCe

IC-I

RH

—C—C—

/C=C\+CX4

RR

[Co(CO)，2

R-CH=CH+CO+H二：R-CHCHCHO+R-CH-CH3

22加熱，加壓22I___

CHO

快類

―八"CU2CI2/NH4CI

CH三CH?CH=C—CH=CH2R-C=CHR—C三CNaWUR—C三C-R'

—C=C-匹幺—CH=C-CN

QCmCHC風(fēng)MgX>R」gcMgX-^Z^UR'—gC—占HR”

2>HQ

鹵代煌

R-XR-RR-XR"叫R_R'

R-COOH

NaCN

R-XR-CN

R-X匕RM界R-COOH

RCH2NH2

吟

CH2=CH-CH2C1CH2=CH-CH2RA1CH2XRMAtCH2R

環(huán)氧乙烷

CHJ-CHJ+R-MgX-------?R-CH2CH2OMgX：R-CH2CH2OH

皴基化合物

R”

RI

A4…》=0R—C=C—R'"

(H)R'I

R'(H)R'(H)

OH?-HQ

2RCH2CHOR-CH2-CH-CH-R―自R-CH2-CH=CH-R

OHCHOCHO

00

IIIIOH0

，

R-C-R+R”-C-CH2co0C曲-R-C^=C-COOC2H5+H20

R'O=C-R”

ooH

nl

eeHIICiHsONaII

2A1CH02CH3-C0C0H5——>CH3C-CH2COOC2H5+C2H50H

o

oR，

Onn

ie

RCOOC2H5+RPHa^-R”眄°叱R-e-H

R"+C2H5OH

RCHO+CH2(COOC2H5)2RCH=C(COOC2H5)2+H20

RCH￡0°?ArCH=C-COOH+R-CH2COOH

AtCHO+(RCH2co)2。

R

丙二酸二乙酯

l)CiHONa1)H?0

CH(COOCH)sRCH(COOCH)RCH2COOH

22522522〉H④，△

DgHsONa1)HiORCH-COOH

CH2(COOC2H5)2R,HY00C2H5

2)RCHCOOC2Hs2〉H④，△I

CH2COOH

XCH(COOC2H5)2

yCOOH

DCJisONa2)X(CH^>X

CH2(COOC2H5)2(CH2)?+2

3)出0④，△

、COOH

乙酰乙酸乙酯

OO

IIDgHsONa2)RXII

CH3C-CH2COOC2H5CHC-CHR

3)NaOH/HQ32

OXo

CH3LCH3COOC2H5DM,。黑含器8~CH31CH4HYOOH

、’R

有機金屬化合物

o

On

IIe+MgPlRU+HCHO——>R-CHOLiH^°>RCH20H

R'MgQl+R-C-Cl22

OR"OHR"OHR”

IIIZnIIH?0?1

R-C-R^H)+Br-CHCOOC2H5—R-C-CH-COOC2H5R-C-CH-COOH

R[H)R，(H)

OOH

R-C-R,(H)+R?c=C^N?,U?,MgX)——>R-*gC-R，

R'(H)

o

nOH

eR，M姿I

R-COOCH+R'MgX(R'Li)R—C—R'

25或R'LiI

R，

Oo

Hn

C一e

R-COOH+RL------>RR-C三N+R'MgXHU)-

o

Ono

\?IIeOn

RMgX+2C=C-C--------->e

R^CuLi+R-C-Cl------>-R

O

xlHIII

R^CuLi+)C=C-C--------->R_C_CH-C-

II

2、碳鏈縮短的反應(yīng)

(1)不飽和化合物的氧化

KMnO

RCH=CHR,.g4>R-COOH+R'COOHRgCR'g?RCOOH+R'COOH

R-CH=CHR,1)Q'~>RCHO+R'CHORC=CR,—y—~~?RCOOH+RCOOH

2)H?O￡n2)HaO

(2)鹵仿反應(yīng)

oo

IIXiII

CH3-C-H(R)CHX34-(R)H-C-ONa

(3)霍夫曼降級反應(yīng)

0

R1-NH2備R—NH2

(4)竣酸反應(yīng)

R-COONa+NaOH(CaO)-^R-H+Na2CO3

COOHCH2cH2coOH△

I+C02+H20

HCOOH+CO2

COOHCH2CH2COOH

CH2COOH

OC

(CH￡J3。-U>=+°2+H2O

CH2COOH

(5)芳香族化合物氧化AtCH2R(H)—>ArCOOH

五、有機合成中的選擇性

在有機合成中，還需要考慮選擇性，這些選擇大致有下列幾類。

1、化學(xué)選擇

分子中的幾個基團，有時不需要加以保護和特殊的活化，某一基團本身就有選擇性的反應(yīng)，相同基團

當(dāng)處于分子中的不同部位時，就可能產(chǎn)生反應(yīng)的差異性，這在有機合成中可以利用，例如可以通過對反應(yīng)

條件的控制來控制反應(yīng)進行的程序：

CH2COOCH

CHCOOCH

23ij-rnnrHo

?回漬分電、-

_￡^yCiCiCV\.KQHCTkCH.HOy>OH

n-T-OH脂肪族酯易水解

COOCH3

COOCH

3CHCOOHfQAG/\

1)40%NaOH,95℃23

^I|-COOCH3

^4-44^?----------------->

兩個酯基先水解

空阻小的COOCH

第三個酯基要在更強烈的條件下，如在NaOH和高沸點溶劑乙二靜中回流才能水解。

不同的官能團對同一試劑的反應(yīng)是不同的，有的能夠與之作用，有的卻不能，即使能夠作用的，也有

反應(yīng)性強弱的差異，表現(xiàn)在反應(yīng)有快慢和難易的區(qū)別，這些差別，在有機合成中也是有用的。例如，烯烽

和快燃雖然都能與鹵素加成，但快煌的反應(yīng)卻遠弱于烯燒，以致可以同時含有烯鍵和快鍵的化合物中實現(xiàn)

選擇加成，如：

CH2==CH-CH2-C=CHB./CC"'產(chǎn)一y-CH2c=CH

BrBr(90%)

選擇性試劑在合成中也經(jīng)常用到。例如

Q

9I1)C2-)HHsM^O曲r(C6H5)2CH^CH2-C—C6H51,4加成

C6H5CHCHCC6H5

C6H5cH==CH-f(C6H5)2I，2加成

有機鋰傾向于1,2一加成。

2、方位選擇性

苯乙烯和澳化氫加成時，全部生成a-澳乙苯，這是一個方位選擇性很強的反應(yīng)。

C6H5cH=CH2+HBr-C6H5(pH—CH3

Br

在雙烯合成中，方位選擇性也很強。

芳香族化合物的二元取代反應(yīng)，實際上也是一種方位選擇性反應(yīng)。

3、立體化學(xué)選擇性

當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物可能是一種以上的立體異構(gòu)體時，就有必要設(shè)計一種只產(chǎn)生所要的產(chǎn)物的合成法，即必須

采用立體有擇反應(yīng)或立體專一反應(yīng)，所有的立體專一的反應(yīng)，一定是立體有擇反應(yīng)。而立體有擇反應(yīng)不一

定是立體專一性反應(yīng)。

受立體化學(xué)控制的反應(yīng)常見的有以下幾類：

(1)鹵化燃的麻2反應(yīng)，產(chǎn)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)產(chǎn)物。

(2)快崎的加成：

R一c=c—R，Na+Nhh〉HR'R，

-2卡*\=<

JiHH以、H

,

R—C=C—R+Br2

(3)烯煌的氧化(4)鹵素與烯煌加成

OHOH

（5）硼氫化---氧化反應(yīng)（6）鹵代烷的E2反應(yīng)

（7）皴基加成

當(dāng)線基兩邊的空間條件不同時，其中一種加成

產(chǎn)物可能占優(yōu)勢，如

【典型例題】

例1、設(shè)計、的合成路線。

r||y（CH3）2

分析：解答有機檄題時，常常采用倒推法，

即從合成目標(biāo)分子出發(fā)，由后往前逆推，推導(dǎo)出目標(biāo)分子的前體，并同樣的找出前體的前體，直至到達較

簡單的起始原料為止。

在倒推法中，“合成子”法是一種常用的分析手段。我們可以把目標(biāo)分子中的某個鍵切斷，目標(biāo)分子

切斷成兩個片段，這兩個片段又可以繼續(xù)切斷成新的片段，直至達到簡單的片段。這些片段叫“合成子”,

它可能是些并非實際存在的分子，但我們可以找出作用與之相當(dāng)?shù)脑噭?，變成合成子的等價物。最后，把

切斷過程倒過來，并使用切斷所得的相當(dāng)試劑，就成了合成方法了。下面我們就用“合成子”法分析此題

的合成路線。

在目標(biāo)分子的鍵a處或鍵b處（如下圖）進行切斷，分別可得到兩個等價物（符號~表示切斷，n

表示逆過程）：