有机合成路线入门 | 自在学

有机合成路线入门

阿司匹林是人们最熟悉的解热镇痛药之一，它的化学名叫乙酰水杨酸，结构中含有酯基和羧基；香水里的水果香气很多来自乙酸乙酯、乙酸异戊酯等酯类；塑料瓶身的聚乙烯来自乙烯的聚合反应。这些物质并不是直接从自然界中采集的，而是通过一系列有目的的化学反应，将廉价易得的原料一步步转变为目标产物——这就是有机合成的核心思想。

有机合成是指以简单、易得的有机或无机原料为起点，通过一系列化学反应，制备具有特定结构和性质的有机化合物的过程。设计合成路线的关键，是弄清楚目标分子的官能团来自哪里，以及哪些反应能够构建这些官能团。

有机合成的基本思路

合成一个有机物，核心任务只有两件事：一是建立所需的碳骨架，二是在正确的位置引入所需的官能团。

碳骨架可以通过加聚、缩聚、加成等反应来延长或构建；官能团则可以通过取代、加成、消去、氧化等反应来引入、改变或去除。绝大多数简单的有机合成题，本质上都是在问：已知起始原料和目标产物，中间经过了哪几步反应，每步引入或转变了什么官能团。

面对一道合成题，一般按照以下顺序思考：

有机合成路线的设计，不是凭空想象，而是建立在对各类官能团的引入与转化方法的熟练掌握之上。官能团的来源记得越清楚，设计路线就越顺手。

常见官能团的引入方法

每一种官能团都可以通过特定的反应来引入，下表归纳了最常用的方法：

从上表可以看出，官能团之间的转化往往是有规律的“接力”关系：烯烃→卤代烃→醇→醛→羧酸，每一步都对应一个具体的反应类型。

官能团之间的转化关系

有机合成最常考查的，是把一条官能团转化链熟记于心。以碳数不变的情况下，最经典的转化路线如下：

记住这条“主干转化链”：烯烃 → 卤代烃 ⇌ 醇 → 醛 → 羧酸 ⇌ 酯。其中双向箭头表示可逆转化（正反向都要会）。在具体题目中，只需要在这条链上找到起点和终点，填上中间步骤即可。

下表对比了几种重要官能团的互相转化方式，帮助快速判断每步需要什么反应：

逆合成分析法

逆合成分析是设计合成路线时最实用的思维方式。它的核心做法是：从目标产物出发，一步一步往回推，直到推到已知的起始原料。

以制备乙酸乙酯 $\mathrm{CH_3COOC_2H_5}$ 为例，逆向分析的推理过程如下：

目标产物是酯，酯由羧酸和醇酯化而来，所以前一步的两种原料是乙酸 $\mathrm{CH_3COOH}$ 和乙醇 $\mathrm{C_2H_5OH}$ 。如果题目只给乙烯和水作为最初原料：

\mathrm{CH_2{=}CH_2 + H_2O \xrightarrow{\text{酸催化}} CH_3CH_2OH}

\mathrm{CH_3CH_2OH \xrightarrow{[O]} CH_3CHO \xrightarrow{[O]} CH_3COOH}

\mathrm{CH_3COOH + C_2H_5OH \xrightleftharpoons[\Delta]{\text{浓}H_2SO_4} CH_3COOC_2H_5 + H_2O}

整个路线就自然推出来了。

逆合成分析时，每一步“往回推”都必须确认在正向合成中这一步是真实存在的反应，且条件合理。切记不要把两步反应跳跃合并成一步，否则条件和产物都会出错。

例题：逆合成分析推路线

以乙烯为原料（无机试剂任意选用），设计制备乙酸 $\mathrm{CH_3COOH}$ 的合成路线。

碳骨架的变化

有些合成题不仅要改变官能团，还涉及碳链的变化。常见情况有：碳链加长（通过加聚等）和碳链不变（只改变官能团）。在入门阶段，主要掌握碳链不变、只改变官能团的合成路线。

碳链不变，只改官能团
典型反应：加成、消去、氧化、取代
说明：最常考的类型
碳链加长（聚合）
典型反应：加聚反应
说明： $n$ 个单体 → 高聚物，如乙烯 → 聚乙烯
碳链缩短（部分氧化裂解）
典型反应：强氧化剂断链
说明：一般只作了解，不作计算要求

例题：两步合成判断

下列路线中，能否由乙醇 $\mathrm{CH_3CH_2OH}$ 两步合成乙酸乙酯 $\mathrm{CH_3COOC_2H_5}$ ？写出步骤。

合成路线的书写规范

写合成路线时，要遵循固定的书写格式，方便阅卷也方便自己检查：

在书写合成路线时，常见错误是把“消去”和“加成”的条件写反：消去醇需要浓 $\mathrm{H_2SO_4}$ 在 $170^\circ\mathrm{C}$ 加热，若温度写成则变成了分子间脱水（生成醚），产物完全不同。条件必须与反应类型严格对应。

例题：完整合成路线设计

以丙烯 $\mathrm{CH_3CH{=}CH_2}$ 为原料，设计制备 1-丙醇 $\mathrm{CH_3CH_2CH_2OH}$ 的合成路线（无机试剂任意）。

分析目标：1-丙醇含 $\mathrm{-OH}$ ，位于碳链末端（即 1 号碳）。

引入 $\mathrm{-OH}$ 的方法：烯烃与水加成（若用马氏规则， $\mathrm{H}$ 加到含氢多的碳上，得到 2-丙醇，不对）；或烯烃先与加成得到 2-溴丙烷，再水解得 2-丙醇（也不对）。

合成路线中的保护与顺序问题

当目标分子中同时含有多个官能团时，要特别注意各步反应的顺序，避免在引入新官能团时破坏已有的官能团。

以制备含 $\mathrm{-OH}$ 和 $\mathrm{-COOH}$ 的羟基酸为例：如果先酯化，再水解，就有可能破坏目标酯基；如果先氧化引入 $\mathrm{-COOH}$ ，再引入 $\mathrm{-OH}$ ，反应条件可能相互干扰。因此合成路线的顺序本身就是解题的关键。

在简单的合成题中，合成路线一般不超过三步。每步对应一种反应类型，每步只改变一个官能团。把“引入—转化—组合”三步想清楚，基本能解决绝大多数入门级合成题。

练习题

练习一（选择题）　下列官能团转化中，反应类型判断正确的是？

A. 乙烯 $\rightarrow$ 乙醇：氧化反应

B. 乙醇 $\rightarrow$ 乙烯：消去反应

C. 乙醇 $\rightarrow$ 乙醛：取代反应

D. 乙酸乙酯 $\rightarrow$ 乙酸 + 乙醇：加成反应

答案：B。

乙醇在浓硫酸、 $170^\circ\mathrm{C}$ 条件下发生消去反应，脱去 $\mathrm{H}$ 和 $\mathrm{OH}$ ，生成乙烯，反应类型为消去反应，B 正确。A 中乙烯与水加成生成乙醇，属于加成反应，不是氧化反应；C 中乙醇氧化为乙醛，属于氧化反应，不是取代反应；D 中酯水解属于取代反应（酯的水解），不是加成反应。

练习二（选择题）　以乙烯为原料，下列合成路线可以得到乙酸 $\mathrm{CH_3COOH}$ 的是？

A. 乙烯 $\xrightarrow{+H_2O}$ 乙醇 $\xrightarrow{[O]}$ 乙酸

B. 乙烯 $\xrightarrow{+HBr}$ 溴乙烷 $\xrightarrow{[O]}$ 乙酸

C. 乙烯 $\xrightarrow{[O]}$ 乙醛 $\xrightarrow{+H_2O}$ 乙酸

D. 乙烯 $\xrightarrow{+H_2O}$ 乙醇 $\xrightarrow{[O]}$ 乙醛乙酸

答案：D。

D 路线：乙烯加水得乙醇，乙醇氧化得乙醛，乙醛再氧化得乙酸，每步转化都有对应的实际反应，路线完整正确。A 中乙醇直接氧化不能得到乙酸（应先氧化成乙醛，再氧化成乙酸，缺少一步）；B 中溴乙烷不能直接被氧化为乙酸；C 中乙烯直接氧化在中学阶段无对应反应，且乙醛与水不能生成乙酸（应为氧化）。

练习三（选择题）　下列关于有机合成路线的说法，正确的是？

A. 合成路线步骤越多，目标产物的纯度越高

B. 逆合成分析是从原料出发，依次推向目标产物

C. 在同一分子中引入多个官能团时，各步反应的顺序可以任意安排

D. 设计合成路线时，应尽量选用步骤少、条件温和的路线

练习四（选择题）　以乙醇 $\mathrm{CH_3CH_2OH}$ 为原料，通过一步反应不能直接得到的产物是？

A. 乙烯 $\mathrm{CH_2{=}CH_2}$

B. 乙醛 $\mathrm{CH_3CHO}$

C. 乙酸 $\mathrm{CH_3COOH}$

D. 乙酸乙酯 $\mathrm{CH_3COOC_2H_5}$

练习五（计算题）　以 $5.6\ \mathrm{g}$ 乙烯为原料，与足量水在酸催化下完全发生加成反应生成乙醇，再将所得乙醇全部氧化为乙醛，求：（1）生成乙醇的质量；（2）生成乙醛的质量。（乙烯摩尔质量 $28\ \mathrm{g/mol}$ ，乙醇摩尔质量 $46\ \mathrm{g/mol}$ ，乙醛摩尔质量 $44\ \mathrm{g/mol}$ ）

练习六（计算题）　将 $9.2\ \mathrm{g}$ 乙醇与足量乙酸在浓硫酸催化下加热发生酯化反应，若转化率（乙醇转化为乙酸乙酯的百分比）为 $60\%$ ，求实际生成乙酸乙酯的质量。（乙醇摩尔质量 $46\ \mathrm{g/mol}$ ，乙酸乙酯摩尔质量 $88\ \mathrm{g/mol}$ ）

\mathrm{HBr}