《有机化学基础》——25、有机合成路线的设计与实施

有机合成路线的确定，需要在掌握碳骨架构建和官能团转化基本方法的基础上，进行合理的设计与选择。

有机合成遵循以下原则：较低的成本（生产条件温和、原料价廉易得）、较高的产率（较少的合成步骤）、环境友好（无污染或污染很小）等。

1、正合成分析法

从简单易得的原料出发，比较原料分子和产物分子的碳骨架、官能团的差异，有目的地选择每一步的转化反应。

基础原料通过有机反应形成碳链和引入官能团，合成第一个中间体（中间产物）；在此基础上，再加上辅助原料，合成第二个中间体……直到得到目标产物。

思考与讨论：工业合成乙酸的两种合成路线的比较。

传统路线：人们最初是通过发发酵法由粮食制备乙酸，现在食醋仍主要以这种方法生产，工业上大量使用的乙酸是通过石油化学工业人工合成的。请以乙烯为原料，设计合理的路线合成乙酸，分析该合成过程中官能团的变化。

新路线：目前已经出现了将乙烯直接氧化生成乙酸的工艺。假定该工艺涉及的反应和上面合成路线每一步反应的产率均为70%，请设计并比较这两种合成路线的总产率。

传统合成路线的总产率为：70%×70%×70%＝34.3%，远小于新工艺反应的产率70%。所以合成步骤越少，总产率越低，设计合成路线时尽可能采用较少的步骤。  

2、逆合成分析法

在设计复杂化合物合成路线时，往往从目标化合物出发进行逆合成分析法。其基本思路是：

在目标化合物的适当位置断开相应的化学键，目的是使得到的较小片段所对应的中间体经过反应可以得到目标化合物；继续断开中间体适当位置的化学键，使其可以从更上一步的中间体反应得来，依次倒推，最后确定最适宜的基础原料和合成路线。

表示合成步骤时，使用箭头“”表示每一步反应；而表示逆合成时，常用符号“”来表示逆推过程，从较复杂的目标分子出发，逐步逆推“后退”，直到“简化”为简单的原料分子。

乙二酸二乙酯是医药和染料工业的重要原料，下面以其合成为例，说明逆合成路线的设计和选择。

从上面的分析可得出乙二酸二乙酯完整的合成路线：  

以乙烯合成乙二酸二乙酯的化学方程式为：

小结：合成路线设计应该遵循的原则。

通过以上方法可以得到几条不同的合成路线，然后综合考虑多方面因素进行选择，合理规划方案。

(1)合成步骤较少，副反应少，反应产率高。

(2)原料、溶剂和催化剂尽可能价廉易得、低毒。

(3)反应条件温和，操作简便，产物易于分离提纯。

(4)污染排放少。

(5)贯彻“绿色化学”理念，选择最佳合成路线，以较低的经济成本和环境代价得到目标产物。

思考：  

在实际工业生产中，乙二醇还可以通过环氧乙烷与水直接化合的方法合成，而环氧乙烷则可由乙烯直接氧化得到。请比较该方法与以上合成乙二酸二乙酯中的制取乙二醇的两步反应，分析生产中选择该路线的可能原因。

前面的合成方法中会生成多种副产物，原子利用率低；该方法的两步反应均没有副产物生成，原子利用率达到100%。

前面的合成方法使用了有剧毒的氯气、有腐蚀性的强碱NaOH，且其成本较高；该方法使用的辅助原料是氧气、水，价廉易得、无毒无害，环境污染小，符合绿色化学的思想。

有机合成进入了新的发展阶段：

新的有机反应、新试剂的不断发现和有机合成理论的发展，有机合成的技术和效率不断提高。由开始的从生物体内提取有机物，到人工设计并合成有机物，计算机辅助设计合成路线，让合成路线的设计逐步成为有严密思维逻辑的科学过程。

比如，20世纪初，维尔施泰特通过十余步反应合成颠茄酮，总产率仅0.75%，十几年后，罗宾逊改进合成路线，仅用3步反应就完成合成，总产率达90%。

实验室有机合成装置和工业生产设备：  

实验室制备装置和工业合成使用的反应釜能够在加热时进行搅拌、温度监测、加料和冷凝回流等操作。(实验室中制备装置所用的仪器依次为：三颈烧瓶或三口烧瓶、温度计、恒压滴液漏斗、球形冷凝管)