高中化學(xué)奧林匹克競賽輔導(dǎo)講座

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)率可達16%o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）

（一）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

17-3o

2、合成苯環(huán)上僅連有兩個基團的化合物

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：/的

ArHAi

'NO2

Br

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?，而兩個

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)，在合成順序中，若會形成鄰、對位定位基中間體，則進行親電

取代反應(yīng)，例如由苯合成對硝基苯甲酮。

O普o-^赍0澗。一例5%

o

en

O2N^^-COOHS5">■02N—^^-coci(CH3)2Cd*o2N—

表17-1通過芳香煌的親電取代反應(yīng)引入基團

衍生的基團

直接引入基團

第一代第二代第三代

-T<OCOCF3)2---->|短____r-OCOR

->I-OR

-NH-COR

-N0-NHJ

2>見表17-2

-SO3H-SOR

3r-coR

-CHOHR

-Cl

-MgX

-Br

-CH2OH

-COOH

-CHR

2-COOR

-CHOHR

-CONH2

-CORr-COR

-COOH-COX

I-CHO

-CH20H

i-C=N

v

CH2cl-CH2OH

表17-2通過芳香重氮鹽的親核取代反應(yīng)引入基團

衍生的基團

宜援引入基團----------------------------------------------------

第一代第二代第三代

'-NO?

-NH2-------->-WHCOR

F

-Cl1

-H-MgX-------->見表17-1

-Br,

!，-

P

-I-COOR

-NO

2-CONH2

J<-COOH------>(

-CN---------------------->?-cox----------*-CHO

-NHz「CHQH------->'-CH2X

1-CHjOCOR

-CHNH------b-CH2HHCOR

-N；-OR22

-OAi

-OH

表17-3通過活化的芳香鹵煌的親核取代引入基團

直接引入基團衍生的基團

，-NH2------------------------------5--NHCOR

—NHR------------------------------5--NHCOR*

-NR2

Ar-H-SH--------------------------------5COR

J

-SR

Ar-X*

-0H

-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：-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，例如由苯合成間二漠苯。

NO2NH2

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。

KMnO^2)-COOHHNQ3^^-COOH

。-理4

H2SO4

N02

b0-3需02N-O-CH3*O2N<)-COOH

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Br-。一C2H5時，有下述兩種合成途徑：

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)

,'R1C00H

OOH

煙〉

+C02——R1COC1R2cR1-^_R2R3MgX>R「卜R2

RlMgX—,[R18OR'R3

oOH

R2MGX

+HC(OR)3——^RJ-C-H>RI-CH-R2

o

l+H-C-H------->R1CH2OH

0OHo

llOH"?ll

R1CH2C-RI------?RICH2C—CH—C—R2

Ri

O0OHo

llJcOH"?ll

RiCH^C—R?+R3c—Ri-------->R?—C—CH—C—R?

II

Rr

QH

RCH2C-C2H5>RCHjc—CH—C—OC2H5

OO

HcH

H

C—C-o

OlOn

uHoe

en-

e

田-C-

-CC

H-

O

OO

C2H5O—C—CH—C—O—C2HJ

2、通過親核取代反應(yīng)形成碳-碳鍵的反應(yīng)

O

H(

C-c

l

R—C=C—H郎比R_gC-Na+R_c=c_R'

COOC2H5COOC2H5COOC2H5COOH

涉NaOC2H5>-^>HC-R田°%^-R—^RCHjCOOH

工CTTII△I△

COOC曲COOC2H5COOC2H5COOH

COOC曲COOC2H5COOH0

T

R〃XH2O/HIR\

HC—RNaOC2H5’R'-C-R—T->R—C—R—YHCOOH

A1△□，/

K

COOC2H5COOC2H5COOH

IIIINaOC2H5IIIIRXIIH

CH3CCH2COC2H5"5》CH3CCHCOC2H5——>CH3CCHCOC2H5

-I

R

OO

IIII

CH3C-CHCOOHKCH3C-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

XX

上

e

或OIFn

o

-CH2COOH盟-CHCOOH

PI

Br

（2）1,2-雙官能團化合物

I—

KMnOCc

4l

中性冷溶液"—

OoO

Hs2nH

CeOeC

L-

(3)1,3-雙官能團化合物

/\也、Br-CH2-CH2—CHs-Br

O

H—oHQOH

C-c~IIIII

l>-c—C—C-CH

III

oo

OH"—IIIII

—>SCH-C—C-C-OR

KMnO

乙4aH00CCH2cH2cH2C00H

（4）1,4-雙官能團化合物

KMnO

△4

HOOCCH2CH2CH2CH2COOH

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)或某些在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)。

-0H-----=—0—C—R

2、對氨基的保護

氨基是個很活潑的基團，在進行氧化、烷基化、磺化、硝化、鹵化等反應(yīng)時往往要對氨

基進行保護。

(1)乙?；痮

-NH2CHKOgk-NH2-C-CH3

(2)對NR2可以加H+質(zhì)子化形成季鍍鹽，-NH2也可加H+成-NH；而保護。

3、對堤基的保護

跋基，特別是醛基，在進行氧化反應(yīng)或遇堿時，往往要進行保護。對魏基的保護一般采用

縮醛或縮酮反應(yīng)。+

-CH0+2R0H-^CH(OR)2

0CHjOH

II+I—>/C

R—C—RCH20HR/\。——CH2

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,對竣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。

+HjO----4A-C—&-

OHH

+Bfa--------->-C—C-

(-)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1,3,5-三澳苯，在苯的親電取代反應(yīng)中，澳

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)比澳的定位效應(yīng)強，使澳進入它的鄰、對

位，這樣澳就會呈間位，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—-Nd,同時氨基也容易去掉：-Nd--N；--H

根據(jù)導(dǎo)向基團的目的不同，可分為下列幾種情況:

1、致活導(dǎo)向?z\

c6H5Br—>

△，C6H5

假如要合成65可以用

但這種方法產(chǎn)率低，因為丙酮兩個甲基活性一樣，會有副反應(yīng)發(fā)生:

C6H5Br

C6H5---------->、C6H5

/\堿C6H5

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

成為半基澳進攻的部位，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，利用酮酸易于脫竣的特性將導(dǎo)向雪夫?，于是得出合成路線為：

X/COOC2H5皿嗎Lcooc2H5她T入/cooc2H5

~?Lc6H52)A6H5

2、致鈍導(dǎo)向

活化可以導(dǎo)向，有時致鈍也能導(dǎo)向，如合成H2N—

如只在苯胺環(huán)上的氨基的對位引入一個浪，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：

NHC0CH3NH2

00

Br

3、利用封閉特定位置來導(dǎo)向

7H2

例如合成，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

十

一方面，苯胺與硫酸還會生成硫酸鹽，而一NWS。4H是一個間位定位基，硝化時得到

,所以苯胺硝化時，要把苯胺乙酰化后，再硝化。

(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：

NHCOCHNHCOCHsNHCOCH

33NH2

N2

0-0-CT°&。2

S03HSO3H

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,-NO2等)

Oo

—n

H?

C-+Re

c-I

H

—

—

C-

cz+:"RKR

)c=\CR

X4

>c"-

zc

=c\+

[Co(CO)4]i

R-CH=CH2+CO+H2'二>R-CH2CH2CHO+R-CH-CH3

加熱，加壓ITT^

快類

CuiCh/NH^Cl

UH=Url------------------?

CH=C—CH=CH2

R—C=CHR—C=CNaR—CmC-R'

HCNI

—C=C--------?—CH=C-CN

CHiMgXR」C三I)R"Y-H,

R-C=CHCMgXR,_C_C_(LHR?

2)HQ

鹵代燃

R-XR-R

「，

R-XR^CuLiR_R

R-COOH

R-XR-CN

RCH2NH2

R-X也RM聯(lián)皤R-COOH

CH2=CH-CH2CICH2=CH-CH2R

AtCH2XAtCH2R

環(huán)氧乙烷

CH2—CH2+R—MgX——?R-CH2CH2OMgX也R-CH2cH20H

琉基化合物

OH

R

V=0R-C—CN

R'(H)

R”

R

R—C=C—Rw

(H)R'

R'(H)

2RCHjCHO^5^R-CHj-CH-CH-R1%*R-CH2-CH=CH-R

OHCHOCHO

O0

IIIIOH0

J

R-C-R+R-C-CH2coO6H5R-C^=C-COOC2H5+H20

R'O=C-R?,

Oo

Hl

Ce

2AtCHO

OO

IICiHsONa

2CH3-COC2H5—_>CH3C-CH2COOC2H5+C2H5OH

oR，O

0niU

RCOOC2H5+RPHz^-R“C，H，°Na,ReHT

---R"+C2H50H

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

RCHMCOO?ArCH=C-COOH+R-CHjCOOH

AtCHO+(RCH2CO)2O

R

丙二酸二乙酯

IJGHsONa

CH(COOCH)2RCH(COOCH)RCHCOOH

22S2>RX2522

l)GHsONa

CH(COOCH)RCH-COOC2H5得力RCH-COOH

22522)RCHCOOGHs

XCH(COOC2H5)2CHjCOOH

ZCOOH

l)C,HsONa2)X(CH2)nX

CH2(C00C2H5”(CH2)n+2

3)HiO?,△'(DOH

乙酰乙酸乙酯

00

l)JHsONa2)RXII

CH3C-CH2COOC2H5CHC-CHR

3)NaOH/HQ32

oXo

CH3ZcH2882H5"；；；就/CH3!i-CH2CH-COOH

R

有機金屬化合物

O

OH

IIC

R'MgH+R-C-Cl

RU+HCHO-------?R-CH2OU、RCH2OH

OR“OHR"OHR”

IIIZn11HiO1I

R-C-R^H)+Br-CHCOOC2HR-C-CH-COOC2H5R-C-CH-COOH

R'(H)R'(H)

oOH

R-C-R^H)+R”gC效f,Li④,M魯X)R-6-C=C-R,

晶H)

O

HOH

CR，M灸I

R-COOCH+R，MgXi^Li)R-C—R'

25或R'LiI

R,

O

H

C

R-COOH+R'Li------>Ro

n

e

R-C三N+R'MgXZR'Li)

Oo

Un

e

C-

o

On

e

R^CuLi+R-C-Cl

OO

II

R'aCuLi+R-C-CH-C-

2、碳鏈縮短的反應(yīng)

(1)不飽和化合物的氧化

KMnO4

RCH=CHR'H④>R-COOH+RCOOH

RC=CR'RCOOH+R'COOH

H出

R-CH=CHR'1)。_>RCHO+RCHO

2)H^O/Zn

1)。3

RC三CR，---RCOOH+R'COOH

2)H2O

(2)鹵仿反應(yīng)

0o

CH3-C-H(R)CHX3+(R)H-C-ONa

(3)霍夫曼降級反應(yīng)

0

RR-NH2盤R—NH2

(4)竣酸反應(yīng)

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

COOH

IHCOOH+CO

COOH2

CH2cH"OOHA

IIT+82+H2O

CH2CH2COOH

CH2COOH

H

(CHi)3O=°+82+2°

CH2COOH

(5)芳香族化合物氧化

[0]

AtCH2R(H)以AtCOOH

O

0?，」0srCf個

O400-5001CHP360-380^2

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：

H2COOCH

CHCOOCH

23回流三分鐘-

J^yCOOCH3KOH,C&OH,OOCH3

HO

HO脂肪族酯易水解

COOCH3

COOCH

3(84%)

CH2COOH3

1)40%NaOH,95℃

-AHsQ。------------------->|^J|"COOCH3

兩個酯基先水解H0鵬產(chǎn)3H

空阻小的COOCH

第三個酯基要在更強烈的條件下，如在NaOH和高沸點溶劑乙二醇中回流才能水解。

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，烯煌和煥煌雖然都能與鹵素加成，但煥燒的反應(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)選號力見即蠣:1c

CH2==CH-CH2-C序------------>產(chǎn)一C4一CH2c氣H

BrBr(90%)

選擇性試劑在合成中也經(jīng)常用到。例如

(C6H5)2CH-CH2-eCeHs1,4加成

(96%)

C6H5—CH飛H-C的5

1.2加成

C6H5cH==CH—f(C6H5)2

2)H0

2(75%)CH

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-C6H5cH丁出

Br

在雙烯合成中，方位選擇性也很強。

鄰位（主要）間位

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）鹵化煌的5加2反應(yīng)，產(chǎn)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)產(chǎn)物。

（2）煥煌的加成：

R—C=C—R;Na+NHa)HR'

Pd-CaCOa/Pd)

R—C三C—R'+H2

nl/KIi—D

R—C三C—R'+BQ

OHOH

（4）鹵素與烯燃加成

HBr

（5）硼氫化一一氧化反應(yīng)

（7）臻基加成

當(dāng)?shù)袒鶅蛇叺目臻g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L設(shè)計5,辦的合成路線。

分析：解答有機合成題時，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?/p>

劑，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，=＞表示逆過程）：

合成子目標(biāo)分子合成子

人巾

a

3+CHMgBr

as3

合成子的等價物合成子的等價物

這樣就有兩條路線均可以合成目標(biāo)分子，哪條路線優(yōu)越？要根據(jù)所給原料而定。

解：

+CH3MgBr

例2、設(shè)計的合成路線

分析：

H3CX/CH3HC.,CHOHH3C./CHOH?

OL>3Y-K3=>Y-3^+0COOH

HOLMH-U

H3C\/CH3/0CN

尸H

HOZ>7/

?II合成子的等價物

V

CH3CH3

8』+?CH20H

、CHO

(CH3)2CH—CHOCHjO

合成子的等價物

再把分析過程顛倒過來,便得到如下的合成路線。

解：

CH一?CN

>(CH)C—CHO

(CH3)2CHCHO+CH2O32

CHjOH

0H①三【3CH3

,CHHn湘CH3OH

(CH3)zf—CH—CN——/

CH20H41COOH'。人。

COOCH

J25

例3、設(shè)計七10的合成路線

分析:

COOC2H5

f+X

CHO._0

H等價物

節(jié)人？,I。cooc2H$

CHO+'C-OCJHJCHO+

'~v'~~v

等價物合成子

解：通過分析，便可得出合成目標(biāo)分子的起始原料，通過兩次麥克爾反應(yīng)和一次分子內(nèi)

的羥醛縮合，就可完成這一合成，但是為了使麥克爾加成有足夠的活性，醛（或酮）通過形

成烯胺使其