高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座-第17讲《有机化合物的合成》

高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座

第17讲有机化合物的合成

【竞赛要求】

有机合成的一般原则。引进各种官能团（包括复合官能团）的方法。有机合成中的基团

保护。导向基。碳链增长与缩短的基本反应。有机合成中的选择性。

【知识梳理】

一、有机合成的一般原则

有机合成是有机化学的重要组成部分，是建立有机化学工业的基础，有机合成一般都应

遵循下列原则：

1、反应步骤较少，总产率高。一个每步产率为80%的十步合成的全过程产率仅为10.7%,

而每步产率为40%的二步合成的全过程产率可达16%o因此要尽可能压缩反应步骤，以免合成

周期过长和产率过低。

2、每步的主要产物易于分离提纯。要力求采用只生成一种或主要生成一种的可靠反应，

避免生成各种产物的混合物。

3、原料易得价格便宜。通常选择含四个或少于四个碳原子的单官能团化合物以及单取代

苯等作为原料。

在实际合成中，若欲合成芳香族化合物时，一般不需要合成芳香环，尽量采用芳香族化

合物作为起始物，再引入官能团；若欲合成脂肪族化合物时，关键的步骤是合成碳骨架并同

时考虑官能团的引入，引入的官能团可能并非为所需产物中的官能团，但可以通过官能团的

转变，形成所需产物中的官能团。

二、有机物的合成方法（包括碳架的建立、各种官能团引进等）

（一）芳香族化合物的合成

1、合成苯环上仅连有一个基团的化合物

一般以苯为原料，通过芳香煌的亲电取代反应引入基团，如表17-1;通过芳香重氮盐的

亲核取代反应引入基团，如表17-2；也可以通过活化的芳香卤烧的亲核取代引入基团，如表

17-3o

2、合成苯环上仅连有两个基团的化合物

如果所需合成的化合物两个基团相互处于邻位或对位，则其中至少有一个基团属于邻、对

位定位基；如果所需合成的化合物两个基团相互处于间位，则其中至少有一个基团属于间位

定位基。例如：/的

ArHAi

'NO2

Br

合成苯环上含有两个基团的化合物时，如果两个两个基团相互处于邻位或对位，而两个

基团都不是邻、对位定位基或两个基团相互处于间位，但都不是间位定位基，在这两种情况

下，一般不能依靠其中一个基团的定位作用将另一个基团引入所需的位置上，而需要通过中

间转化过程来实现。具体办法有：

(1)对于亲电取代反应，在合成顺序中，若会形成邻、对位定位基中间体，则进行亲电

取代反应，例如由苯合成对硝基苯甲酮。

O普o-^赍0涧。一例5%

o

en

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

表17-1通过芳香煌的亲电取代反应引入基团

衍生的基团

直接引入基团

第一代第二代第三代

-T<OCOCF3)2---->|短____r-OCOR

->I-OR

-NH-COR

-N0-NHJ

2>见表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通过芳香重氮盐的亲核取代反应引入基团

衍生的基团

宜援引入基团----------------------------------------------------

第一代第二代第三代

'-NO?

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

F

-Cl1

-H-MgX-------->见表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通过活化的芳香卤煌的亲核取代引入基团

直接引入基团衍生的基团

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

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

-NR2

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

J

-SR

Ar-X*

-0H

-OR

-OCOR

*注；在卤素的邻位或对位至少有一个，最好是两个下列基团：-NO?、-CN,-SO2R,-COR

(2)引入一种基团，这种基团具有一定的定位作用，待第二基团引入后，再除去这种基

团，例如由苯合成间二漠苯。

NO2NH2

3、当用取代苯作为起始物时，可通过改变起始物取代基转化的先后顺序来决定最终产物

分子中基团的相对位置，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

在将两个基团引入到苯环上时，应考虑以下两个问题：

（1）在由选择余地时，首先引入最强的致活基团或最弱的致钝基团进入苯环。

（2）要特别注意某些反应条件的要求。

例如合成Br-。一C2H5时，有下述两种合成途径：

显然第一条途径较好，在引入致活基团一C2H5后有利于第二步反应；而第二条途径引入

的Br是致钝基团，下一步付-克反应不能进行。

（二）脂肪族化合物的合成

在合成脂肪族化合物时，首先要考虑的问题是如何建立碳架；其次若还有官能团存在，

则在建立碳架的同时，还需要考虑官能团的建立。一般是将两个或三个预先形成的碎片按一

定的方式连接，使形成的官能团恰好在所需的位置，这一步是整个合成步骤中最关键的一步。

通过亲核加成反应形成碳-碳键和通过亲核取代反应形成碳-碳键的典型反应如下。

1、通过亲核加成反应形成碳-碳键的反应

,'R1C00H

OOH

烟〉

+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、通过亲核取代反应形成碳-碳键的反应

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、形成双官能团化合物的反应

（1）1,1-双官能团化合物

XX

上

e

或OIFn

o

-CH2COOH盟-CHCOOH

PI

Br

（2）1,2-双官能团化合物

I—

KMnOCc

4l

中性冷溶液"—

OoO

Hs2nH

CeOeC

L-

(3)1,3-双官能团化合物

/\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-双官能团化合物

KMnO

△4

HOOCCH2CH2CH2CH2COOH

三、有机合成中的基团保护、导向基

（一）基团保护

在有机合成中，些不希望起反应的官能团,在反应试剂或反应条件的影响下而产生副反应,

这样就不能达到预计的合成目标，因此，必须采取对这些基团进行保护，完成合成后再除去

保护基，使其复原。

对保护措施一定要符合下列要求：①只对要保护的基团发生反应，而对其他基团不反应;

②反应较容易进行，精制容易；③保护基易脱除，在除去保护基时，不影响其他基团。

下面只简略介绍要保护的基团的方法。

1、羟基的保护

在进行氧化反应或某些在碱性条件进行的反应，往往要对羟基进行保护。如防止羟基受

碱的影响，可用成酸反应。

-OH»-OR

防止羟基氧化可用酯化反应。

-0H-----=—0—C—R

2、对氨基的保护

氨基是个很活泼的基团，在进行氧化、烷基化、磺化、硝化、卤化等反应时往往要对氨

基进行保护。

(1)乙酰化o

-NH2CHKOgk-NH2-C-CH3

(2)对NR2可以加H+质子化形成季镀盐，-NH2也可加H+成-NH；而保护。

3、对堤基的保护

跋基，特别是醛基，在进行氧化反应或遇碱时，往往要进行保护。对魏基的保护一般采用

缩醛或缩酮反应。+

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

0CHjOH

II+I—>/C

R—C—RCH20HR/\。——CH2

4、对竣基的保护

竣基在高温或遇碱性试剂时，有时也需要保护,对竣基的保护最常用的是酯化反应。

-COOH+R-OH—COOR

5、对不饱和碳碳键的保护

碳碳重键易被氧化，对它们的保护主要要加成使之达到饱和。

+HjO----4A-C—&-

OHH

+Bfa--------->-C—C-

(-)导向基

在有机合成中，往往要“借”某个基团的作用使其达到预定的目的，预定目的达到后，

再把借来的基团去掉，恢复本来面貌，这个“借”用基团我们叫“导向基”。当然这样的基

团，要符合易“借”和易去掉的原则，如由苯合成1,3,5-三澳苯，在苯的亲电取代反应中，澳

是邻、对位取代基，而1,3,5-三澳苯互居间位，显然不是由澳的定位效应能引起的。但如苯

上有一个强的邻、对位定位基存在，它的定位效应比澳的定位效应强，使澳进入它的邻、对

位，这样澳就会呈间位，而苯环上原来并无此类基团，显然要在合成时首先引入，完成任务

后，再把它去掉，恰好氨基能完成这样的任务，因为它是一个强的邻、对位定位基，它可如

下引入：

-H--NO2—-Nd,同时氨基也容易去掉：-Nd--N；--H

根据导向基团的目的不同，可分为下列几种情况:

1、致活导向?z\

c6H5Br—>

△，C6H5

假如要合成65可以用

但这种方法产率低，因为丙酮两个甲基活性一样，会有副反应发生:

C6H5Br

C6H5---------->、C6H5

/\碱C6H5

碱

但在丙酮的一个甲基上导入一个致活基团，使两个甲基上的氢的活性有显著差别，这可用

一个乙酯基(-COOC2H5)导入丙酮的一个甲基上，则这个甲基的氢有较大的活性，使这个碳

成为半基澳进攻的部位，因此，利用乙酰乙酸乙酯而不用丙酮，完成任务后，把乙酯基水解

成竣基，利用酮酸易于脱竣的特性将导向雪夫?，于是得出合成路线为：

X/COOC2H5皿吗Lcooc2H5她T入/cooc2H5

~©Lc6H52)A6H5

2、致钝导向

活化可以导向，有时致钝也能导向，如合成H2N—

如只在苯胺环上的氨基的对位引入一个浪，必须将氨基的活性降低，这可通过乙酰化反

应来达到，同时乙酰氨基是一个邻、对位定位基，而此情况下对位产物是主要产物：

NHC0CH3NH2

00

Br

3、利用封闭特定位置来导向

7H2

例如合成，用苯胺为起始原料，用混酸硝化，一方面苯胺易被硝酸氧化，另

㊉

一方面，苯胺与硫酸还会生成硫酸盐，而一NWS。4H是一个间位定位基，硝化时得到

,所以苯胺硝化时，要把苯胺乙酰化后，再硝化。

(90%)

由于乙酰基此时主要是对位产物，所以仍不能达到目的。如果导向一个磺酸基，先把氨

基的对位封闭，再硝化，可以得到满意结果：

NHCOCHNHCOCHsNHCOCH

33NH2

N2

0-0-CT°&。2

S03HSO3H

四、碳链增长与缩短的基本反应

1、碳链增长的反应

起始原料反应及产物

烯类

(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

加热，加压ITT^

快类

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

卤代燃

R-XR-R

「，

R-XR^CuLiR_R

R-COOH

R-XR-CN

RCH2NH2

R-X也RM联皤R-COOH

CH2=CH-CH2CICH2=CH-CH2R

AtCH2XAtCH2R

环氧乙烷

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

有机金属化合物

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鲁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、碳链缩短的反应

(1)不饱和化合物的氧化

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)卤仿反应

0o

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

(3)霍夫曼降级反应

0

RR-NH2盘R—NH2

(4)竣酸反应

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个

O400-5001CHP360-380^2

五、有机合成中的选择性

在有机合成中，还需要考虑选择性，这些选择大致有下列几类。

1、化学选择

分子中的几个基团，有时不需要加以保护和特殊的活化，某一基团本身就有选择性的反

应，相同基团当处于分子中的不同部位时，就可能产生反应的差异性，这在有机合成中可以

利用，例如可以通过对反应条件的控制来控制反应进行的程序：

H2COOCH

CHCOOCH

23回流三分钟-

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

两个酯基先水解H0鹏产3H

空阻小的COOCH

第三个酯基要在更强烈的条件下，如在NaOH和高沸点溶剂乙二醇中回流才能水解。

不同的官能团对同一试剂的反应是不同的，有的能够与之作用，有的却不能，即使能够作

用的，也有反应性强弱的差异，表现在反应有快慢和难易的区别，这些差别，在有机合成中

也是有用的。例如，烯煌和焕煌虽然都能与卤素加成，但焕烧的反应却远弱于烯烧，以致可

以同时含有烯键和快键的化合物中实现选号力见即蛎:1c

CH2==CH-CH2-C序------------>产一C4一CH2c气H

BrBr(90%)

选择性试剂在合成中也经常用到。例如

(C6H5)2CH-CH2-eCeHs1,4加成

(96%)

C6H5—CH飞H-C的5

1.2加成

C6H5cH==CH—f(C6H5)2

2)H0

2(75%)CH

有机锂倾向于1,2一加成。

2、方位选择性

苯乙烯和澳化氢加成时，全部生成a-澳乙苯，这是一个方位选择性很强的反应。

C6H5CH=CH2+HBr-C6H5cH丁出

Br

在双烯合成中，方位选择性也很强。

邻位（主要）间位

芳香族化合物的二元取代反应，实际上也是一种方位选择性反应。

3、立体化学选择性

当反应产物可能是一种以上的立体异构体时，就有必要设计一种只产生所要的产物的合

成法，即必须采用立体有择反应或立体专一反应，所有的立体专一的反应，一定是立体有择

反应。而立体有择反应不一定是立体专一性反应。

受立体化学控制的反应常见的有以下几类：

（1）卤化煌的5加2反应，产生构型翻转产物。

（2）焕煌的加成：

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）卤素与烯燃加成

HBr

（5）硼氢化一一氧化反应

（7）臻基加成

当堤基两边的空间条件不同时，其中一种加成产物可能占优势，如

【典型例题】

例L设计5,办的合成路线。

分析：解答有机合成题时，常常采用倒推法，即从合成目标分子出发，由后往前逆推，

推导出目标分子的前体，并同样的找出前体的前体，直至到达较简单的起始原料为止。

在倒推法中，“合成子”法是一种常用的分析手段。我们可以把目标分子中的某个键切断,

目标分子切断成两个片段，这两个片段又可以继续切断成新的片段，直至达到简单的片段。

这些片段叫“合成子”，它可能是些并非实际存在的分子，但我们可以找出作用与之相当的试

剂，变成合成子的等价物。最后，把切断过程倒过来，并使用切断所得的相当试剂，就成了

合成方法了。下面我们就用“合成子”法分析此题的合成路线。

在目标分子的键a处或键b处（如下图）进行切断，分别可得到两个等价物（符号~表

示切断，=＞表示逆过程）：

合成子目标分子合成子

人巾

a

3+CHMgBr

as3

合成子的等价物合成子的等价物

这样就有两条路线均可以合成目标分子，哪条路线优越？要根据所给原料而定。

解：

+CH3MgBr

例2、设计的合成路线

分析：

H3CX/CH3HC.,CHOHH3C./CHOH„

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

HOLMH-U

H3C\/CH3/0CN

尸H

HOZ>7/

©II合成子的等价物

V

CH3CH3

8』+©CH20H

、CHO

(CH3)2CH—CHOCHjO

合成子的等价物

再把分析过程颠倒过来,便得到如下的合成路线。

解：

CH㊀©CN

>(CH)C—CHO

(CH3)2CHCHO+CH2O32

CHjOH

0H①三【3CH3

,CHHn湘CH3OH

(CH3)zf—CH—CN——/

CH20H41COOH'。人。

COOCH

J25

例3、设计七10的合成路线

分析:

COOC2H5

f+X

CHO._0

H等价物

节人？,I。cooc2H$

CHO+'C-OCJHJCHO+

'~v'~~v

等价物合成子

解：通过分析，便可得出合成目标分子的起始原料，通过两次麦克尔反应和一次分子内

的羟醛缩合，就可完成这一合成，但是为了使麦克尔加成有足够的活性，醛（或酮）通过形

成烯胺使其