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：

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：

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：

整个路线就自然推出来了。

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：

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）。

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。

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

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

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 $88\ \mathrm{g/mol}$）

要得到 1-丙醇（端基醇），可以先加 $\mathrm{HBr}$ 但反马氏方向——此时正规方法是利用硼氢化后氧化（中学阶段不作要求），在中学范围内，常见的是：丙烯与溴化氢在过氧化物催化下进行反马氏加成（不作重点），或者利用已学知识：丙烯与水的加成主要得到 2-丙醇，一般不直接得到 1-丙醇。

中学常考简化版：此类题目若只要求“丙醇”而不指定位置，则：

第一步，求乙烯的物质的量：

由加成反应方程式，乙烯与乙醇的物质的量之比为 $1:1$：

第二步，由氧化反应方程式，乙醇与乙醛的物质的量之比为 $1:1$：

答：生成乙醇 $9.2\ \mathrm{g}$，生成乙醛 $8.8\ \mathrm{g}$。

乙醇与乙酸乙酯的物质的量之比为 $1:1$。

第一步，求乙醇的物质的量：

第二步，实际参与反应的乙醇（转化率 $60\%$）：

第三步，由方程式，生成乙酸乙酯的物质的量：

第四步，生成乙酸乙酯的质量：

答：实际生成乙酸乙酯 $10.56\ \mathrm{g}$。