有机合成材料有哪些特点(有机合成题的解答)

时间:2024-10-20 08:01:38


有机合成主要是利用一些基本原料(如甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丁二烯、苯、甲苯等)并限定合成路线或设计合成路线来合成有机物,并与有机物结构简式、同分异构体、有机反应类型、有机反应方程式书写等基础知识的考查相结合。

合成有机高分子化合物的方法主要有两种:加聚和缩聚反应。

加聚反应是含有不饱和C=C、C=O或C≡C的物质在一定条件下发生聚合反应生成的有机高分子化合物,此时,不饱和有机物:“双键变单键,组成不改变;两边伸出手,彼此连成链”发生加聚反应的有机物必含有不饱和键,结构中主键原子数必为偶数。

缩聚反应是由含有两个官能团的有机物通过缩合脱水所生成的有机高分子化合物,一般为含有两个官能团的二元羧酸和二元醇,也可以是既有羟基又有羧基的羟基酸或氨基酸等含有两个官能团的有机物。

一、有机合成题的特点

有机合成的基本要求是:原理正确、原料价廉;途径简捷、便于操作;条件适宜、易于分离。

有机合成与推断题中提供的材料和涉及的化学知识多数是新情境、新知识,这些新知识以信息的形式在题目中给出,要求学生通过阅读理解信息,进行分析、整理,利用联想、迁移、转换、重组等方法,找出规律,解决有关问题。其命题角度如下:

① 依据题目提供的有机合成路线进行物质结构推断。

② 依据题目提供的信息设计合理的有机合成路线。

二、解答有机合成题的关键

选择出简单合理的合成路线;熟练掌握好各类有机物的组成、结构、性质、相互衍生关系以及重要官能团的引入和消去等基础知识。

有机物推断合成题常以框图题形成出现,解题的关键是确定突破口;

⒈ 从有机物的物理特征突破。有机物中各类代表物的颜色、状态、气味、溶解性、密度、熔点、沸点等往往各有特点,平时留心归纳,解题时可能由此找到题眼。

⒉ 从反应的特定条件突破。有机反应往往各有特定的条件,例如“浓H2SO4,170℃”的条件可能是乙醇消去制乙烯;“烃与溴水反应”,则该烃应为不饱和烃,且反应一定是加成反应,而不会是取代反应。

⒊ 从特定的转化关系突破。例如某有机物能氧化再氧化,该有机物就可能是烯烃或醇。因为烯烃→醛→羧酸;醇→醛→羧酸。这两条重要的氧化系列。若某物既被氧化又被还原BAC,则该物质A可能是醛,醛是能被氧化(转化成羧酸)又能被还原(转化为醇)的物质。可见,熟悉有机物的转化关系非常必要。

⒋ 从结构关系突破。这其实也是转化关系的原理。例如某醇催化氧化能得到相应的醛,则该醇必为伯醇;若醇催化氧化得不到相应的醛、酮,则必为叔醇。消去反应、生成环酯的反应等都与特定的结构有关。

⒌ 从特征现象突破。如加FeCl3溶液发生显色反应,有机物可能是酚类。能与银氨溶液反应生成银镜,则有机物为含醛基的物质。特征现象可以从产生气体沉淀颜色、溶液颜色变化等方面考虑。

⒍ 从特定的量变突破。如相对分子质量增加16,可能是加进了氧原子(例CH2=CH2→CH3CHO)。平日复习有“量”的概念,考试时就可能心明眼亮。

⒎ 思路要开阔,打破定势。应该考虑到某有机物可能不止一种官能团,或者只有一种但不止一个官能团。要从链状结构想到环状结构甚至是笼状结构,这样疑难问题就迎刃而解了。

三、解答有机合成题的思路

㈠ 解题的思维程序

解题时主要应抓住基础知识和新信息结合成新网络,解题的思维程序是:

接受信息——联系旧知——寻找条件——推断结论。

以有机物结构、性质和实验现象为主线,解答有机物推断合成题常用的思维方法有:

① 顺推法:采用正向思维,得出正确结论。

② 逆推法:采用逆向思维,得出正确结论。

③ 分离法:先根据已知条件,分离出已知条件,把明显的未知条件分离出来,然后根据已知将分离出来的未知当已知逐个求解那些潜隐的未知。

④ 分层推理法:依据题意,分层推理,综合结果,得出正确推论。

㈡ 解题的抓手

对比原料和目标产物→采取正确的方法分析→官能团的引入和消除→设计合理的合成路线程

⒈ 对比原料和目标产物

⑴ 分析碳链的变化:有无碳链的增长或缩短?有无成环或开环?

⑵ 分析官能团的改变:引入了什么官能团?是否要注意官能团的保护?

⒉ 采取正确的方法分析

⑴ 正向合成法:采用正向思维。程序是:原料→中间产物→产品

⑵ 逆向合成法:采用逆向思维。程序是:产品→中间产物→原料

⑶ 类比合成法:采用综合比较的思维方法。程序是:比较题目所给知识原型→找出原料与合成物质的内在联系→确定中间产物→产品

⒊ 官能团的引入和消除

⑴ 官能团的引入

① 引入羟基(-OH)

ⅰ 加成反应:醛酮与氢气的加成;烯烃与水的加成。

ⅱ 取代反应:卤代烃在碱性条件下的水解;酯的水解。

ⅲ 分解反应:葡萄糖的无氧发酵。

② 引入卤素原子(-X)

ⅰ 加成反应:不饱和碳原子与HX或X2加成。

ⅱ 取代反应:烷烃或苯环与X2的取代;醇与HX的取代。

③ 引入双键:

ⅰ 消去反应:醇或卤代烃的消去引入C=C。

ⅱ 氧化反应:醇的氧化引入C=O。

ⅲ 加成反应:炔烃的部分加成。

以上是引入官能团常见的一步引入的方法,但在某些情况下,所要合成的化合物却不能通过简单一步反应制备,则必须通过两步或多步反应采用“迂回”法,逐步转化成被合成的化合物。

⑵ 官能团的消除

① 通过加成反应消除不饱和键。

② 通过消去或氧化或酯化等消除羟基(-OH)。

③ 通过加成或氧化等消除醛基(-CHO)。

⑶ 官能团的转变

根据合成需要(有时题目中信息会明示某些衍变途径),可进行有机物的官能团转变,以使中间产物向产物递进。

常见的三种方式:

① 利用官能团的衍生关系进行衍变。如伯醇→醛→羧酸。

② 通过某些化学途径使一个官能团转变为多个。如:一元醇消去后得烯烃,烯烃加成卤素后再水解则转变出两个—OH。

③ 通过某种手段改变官能团的位置。

四、有机合成的知识梳理

㈠ 有机化学重要反应类型

⒈ 取代反应:有机物分子中的某些原子或原子团被其他原子或原子团所代替的反应。

取代反应包括卤代、硝化、磺化、水解、酯化等反应类型。

⒉ 加成反应:有机物分子中未饱和的碳原子跟其他原子或原子团直接结合生成别的物质的反应。

⒊ 消去反应:有机物在一定条件下,从一个分子中脱去一个小分子(如H2O、NH3、HX等)生成不饱和化合物的反应(消去小分子)。

⒋ 氧化反应:

⑴ 烃和烃的衍生物的燃烧反应;

⑵ 烯烃、炔烃、二烯烃、苯的同系物、醇、醛等与酸性高锰酸钾反应;

⑶ 醇氧化为醛和酮;

⑷ 醛氧化为羧酸等反应。

⒌ 还原反应:有机物加氢去氧的反应。

⒍ 加聚反应:通过加成反应聚合成高分子化合物的反应(加成聚合)。主要为含双键的单体聚合。

⒎ 缩合反应:单体间通过缩合反应生成高分子化合物,同时生成小分子(H2O、NH3、HX等)的反应。

缩聚反应主要包括酚醛缩聚,醇酸缩聚,羟酸缩聚,氨基酸缩聚等。

⒏ 酯化反应(属于取代反应):酸(有机羧酸、无机含氧酸)与醇作用生成酯和水的反应。

⒐ 水解反应:有机物在一定条件下跟水作用生成两种或多种物质的反应。

水解反应包括卤代烃水解、酯水解、糖水解、蛋白质水解等。

⒑ 裂化反应:在一定温度下,把相对分子质量大、沸点高的长链烃断裂为相对分子质量小、沸点低的短链烃的反应。

⒒ 酯的生成和水解及肽键的生成和水解

㈡ 掌握各类有机物分子结构的官能团的特点,理解其官能团的特征反应,根据物质性质推断分析其结构和类别。如:

⒈ C=C和 —C≡C—能使溴水、酸性KMnO4溶液褪色;

⒉ -OH能与Na反应放出H2 ;

⒊ 苯酚能与FeCl3溶液作用呈紫色;

⒋ -COOH(碳原子数较少的)能与Na2CO3溶液作用放出CO2;

⒌ -CHO 与银氨溶液反应产生银镜,或与新制Cu(OH)2作用产生红色沉淀;

⒍ R-COO-R’与少量稀碱溶液混合,滴加酚酞,微热,使溶液红色变浅(酯水解产生的酸和碱发生中和)。

㈢ 理解有机物分子中各基团间的相互影响。

⒈ 烃基对官能团的影响

醇显中性,苯酚显弱酸性(苯环对-OH的影响)

⒉ 官能团对烃基的影响

CH3—CH3难以去氢,CH3CH2OH较易发生烃基上的氢和羟基之间的脱水(-OH对乙基的影响)

苯不和溴水反应,而苯酚和浓溴水作用产生白色沉淀(-OH对苯环的影响)。

⒊ 官能团对官能团的影响

羧酸,-OH受羰基的影响,使得-COOH的氢较易电离,显酸性。

⒋ 烃基对烃基的影响

甲苯:

⑴ -CH3受苯环的影响,能被酸性KMnO4溶液氧化

⑵ 苯环受-CH3影响而使邻、对位的氢易被取代

㈣ 关注外界条件对有机反应的影响。

反应物相同,但反应条件(温度、浓度、用量、催化剂、反应介质和操作顺序)不同而导致生成物不同。

⒈ 温度的影响

CH3CH2OH→(H2SO4 170℃)CH2=CH2+H2O (消去)

CH3CH2OH→(H2SO4 140℃)CH3CH2-O-CH2CH3+H2O (取代)

HCOOH+Cu(OH)2→(常温)蓝色沉淀,少量溶解

HCOOH +Cu(OH)2→(加热煮沸)红色沉淀

⒉ 催化剂的影响

CH3CH2OH→(Cu或Ag)CH3CHO

CH3CH2OH→(点燃)CO2+H2O

C6H6+Cl2→(Fe)C6H5Cl (取代)

C6H6+Cl2→(光)C6H6Cl6 (加成)

⒊ 反应介质的影响

R-CH2-CH2Br→(NaOH△)R-CH2-CH2-OH (取代)

R-CH2-CH2Br→(NaOH△)R-CH=CH2 (消去)

㈤ 有机合成中碳链的改变

⒈ 增加碳链的反应:有机合成题中碳链的增长,一般会以信息形式给出,常见方式为有机物与HCN反应以及不饱和化合物间的聚合等。

①加聚反应;② 酯化反应;③ 缩聚反应。

⒉ 减少碳链的反应:如烃的裂化裂解,某些烃(如苯的同系物、烯烃)的氧化等。

① 水解反应:糖、蛋白质、酯的水解。

② 脱羧反应

③ 氧化反应:燃烧,苯的同系物氧化成苯甲酸

④ 裂化反应:

C16H34→C8H18+C8H16

C8H18→C4H10+C4H8

㈥ 有机合成中的成环反应规律

⒈ 有机成环方式一种是通过加成、聚合反应来实现的,另一种是至少含有两个相同或不同官能团的有机分子,如多元醇、羟基酸、氨基酸通过分子内或分子间脱去小分子的成环。

⒉ 成环反应生成的环上应至少含有3个原子,其中以形五员环或六员环比较稳定。

⒊ 类型:

⑴ 加成成环

如:


⑵ 二元醇脱水

① 醇分子间脱水成环



② 醇分子内脱水成环

如:

⑶ 醇与酸酯化成环:

如:乙二酸与乙二醇反应生成:环乙二酸乙二酯

⑷ 羟酸的酯化

又如:

⑸ 氨基酸脱水

⑹ 二元羧酸脱水

㈦ 重要有机物间的相互转变关系。

⒈ 官能团的变化;

⒉ “碳架”的变化(碳原子数增多、减少,成环、破环)。



㈧ 深刻理解醇的催化氧化,卤代烃及醇的消去反应,酯化反应等重要反应类型的实质。能够举一反三、触类旁通、联想发散。

⒈ 由乙醇的催化氧化,可推测:

2-丙醇→(氧化)丙酮

环己醇→(氧化)环己酮

⒉ 由乙醇的消去反应,可推测:

1,4丁二醇→(消去)1,3丁二烯

环己醇→(消去)环己烯

⒊ 由乙醇的脱水生成乙醚,可推测:

⒋ 由酯化反应原理,可推测:

乙二酸与乙二醇反应生成:

⑴ 链状酯:乙二酸乙二酯 HOOC-COO-CH2CH2-OH

⑵ 环状酯:环乙二酸乙二酯

⑶ 聚酯:聚乙二酸乙二酯 HO-[OC-COOCH2CH2O]n-H

五、解答有机合成题的方法

㈠ 设计合理的合成路线

⒈ 读通读懂信息:题中的信息可能是成为物质转化中的重要一环,因而要认真分析信息中牵涉到哪些官能团(或碳链的结构)与原料、产品或中间产物之间的联系。

⒉ 可以由原料正向推导产物,也可从产物逆向推导出原料,也可从中间产物出发向两侧推导。

⒊ 兼顾环境保护和绿色化学。

㈡ 选择合成路线

解答有机合成题的关键是选择合成路线。

通常使用的最好方法是“反向推导”法,此方法的要点是:搞清结构、正确切断、反向推导、正向合成。即首先确定要合成的有机物的类别,然后再考虑这一有机物如何从另一有机物(设为A)经过进一步反应获得;如果A还不是所给的已知原料,则A又是怎样从另一有机物B经进一步反应制得。……这样一直往后逆推到被允许使用的原料为止。即由目标产物A→B→C→D……→原料。总可以找到一条好的理想途径,由目标产物一直推导到被允许使用的原料为止。

例如:由CH3CH2Br—→CH2Br-CH2Br

.........(原料)........... (目标产物)

抓目标产物官能团的正确“切断”是解决这一问题的又一关键。各官能团都可能有一种或好几种好的“切断”,我们可以从中筛选出最好的一种“切断”,这一切断使分子能顺利地转化为一种可能的原料。

由上述讨论可见,要顺利地实现由“反向推导”到“正向合成”,必须注意以下几点:

① 各类有机物的组成、结构、官能团及其化学性质;

② 烃及其重要衍生物之间的相互转化;

③ 各类有机物的制法及基团的引入和消去方法;

④ 重要的有机反应的定义、条件、特点和应用。

总之,在具体合成某一种产物时可能会有多种不同的方法和途径,此时就要在兼顾原料节省、产率高、易提纯的前提下,从中选择最简单、最合理的方法和途径,从而达到正确解答这类题的目的。