尋找核心反應、關鍵步驟,力求中央突破
——高考有機化學中“合成路線設計”類試題的解題策略

金敖然

(廣西南寧市第三中學)

在新課程、新教材、新高考的“三新”教育改革背景下,以“立德樹人、服務選才、引導教學”為核心的新高考制度日臻完善.高考化學科目命題以真實的情境為背景,重點考查學生的化學學科核心素養.目前有機合成大題是高考化學試卷中的必考題型,該題多以新藥物、新材料的合成路線等為試題情境,綜合考查學生對有機化學模塊的掌握情況,是高三學生復習備考階段需要重點突破的內容.然而在教學實踐中,學生對有機合成試題普遍存在著畏難情緒,尤其對于設計有機合成路線制備新物質的問題,是學生亟待解決的難點問題.本文在分析該設問命題特點的基礎上,結合一線教學實際經驗,構建思維模型,形成解題思路,進而得出有效突破“有機合成設計路線”試題的解題策略.

1 高考試卷中有機合成路線設問命題特點

通過梳理近幾年高考試卷不難發現,“有機合成路線設計”是有機合成大題的壓軸一問,分值為3～4分.該設問多以真實的情境、陌生的有機反應信息為背景,用簡單的有機分子合成復雜的有機物質,可以為單合成路線亦可以為雙合成路線,通過3～5步合成目標物質.該設問信息量大,分值也較大,對有機化學基礎及綜合能力要求高,能夠比較全面地考查學生的化學學科素養和關鍵能力.

有機合成路線設計的書寫有著比較規范的要求,多以流程圖的形式呈現.各步轉化過程只要求寫主要反應物、生成物及目標產物,次要反應物及反應條件可寫在轉化箭頭上,次要生成物不必書寫,不涉及合成實驗具體操作,其合成路線答題模型如圖1、圖2所示.

圖1 單合成路線的表示方法

圖2 雙合成路線的表示方法

2 有機合成路線設計的解題策略

2.1 以“中央突破”為思路的解題策略

有關目標產物的合成路線設計包括“逆向思維”“順向推導”“片段對比”“中央突破”等.本文著重講解以“尋找核心反應、關鍵步驟”為核心的“中央突破法”.與科學研發工作相似,科研工作者在承接一個課題項目時,往往以決定該課題項目的關鍵步驟或者核心反應作為攻堅克難的關鍵點,如果能在關鍵步驟或者核心反應取得重大突破,那么其他步驟也就不是什么問題了.有機合成路線的設計也是如此.那么,如何尋找關鍵步驟或者核心反應呢? 這就要對原料與目標產物之間進行“片段對比”.一般來說,官能團的改變都是比較容易實現的,而碳骨架的較大改變,一般比較難以實現,所以碳骨架的構建便是合成路線中的關鍵步驟或者說核心反應.有了關鍵步驟,我們就可以著手合成完成關鍵步驟所需的物質即中間產物了,然后順次推演下去,最終歸結到以已知簡單有機物為原料的有機合成過程.

2.2 合成路線中需要注意的問題

1)注意反應的先后次序問題

關于反應的次序問題,除了要考慮同一反應條件下對多種官能團的影響(即避免在一種官能團轉化的同時影響到其他官能團的情況),還要注意有機分子中原子團之間存在的相互影響,如苯環原有的取代基,對新進入的取代基的取代位置存有一定指向性,一般指定到原有取代基的“鄰、對位”或“間位”,這種作用稱為定位效應.起影響作用的取代基叫作定位基.高中階段主要涉及有關苯環定位基定位效應.一般的,苯環上常見的鄰對位定位取代基:—NH2＞—OH＞—NHCOR＞—R(烷基)＞—X(Cl、Br、I).苯環上常見的間位定位取代基:—NO2＞—CN ＞—SO3H ＞—CHO＞—COOH＞—COOR.故在設計合成路線時,要考慮“定位效應”,有次序地引入取代基,合成目標產物,切不可隨意設計合成步驟.

2)注意官能團的保護問題

有機分子中往往存在多種官能團,欲將其中某一種官能團進行轉化時,不能在該轉化條件下破壞其他官能團,這就涉及官能團的保護問題.官能團的保護,是使被保護的官能團先發生化學反應形成相對穩定的保護基,待合成完畢后,再予以脫去,恢復原樣.如將對羥基苯甲醇()氧化成對羥基苯甲醛時,需要考慮醇羥基被氧化的同時,酚羥基也會被氧化,那么可以考慮加入NaOH 將酚羥基轉化成酚鈉保護起來,將醇羥基氧化后再將酚鈉轉化成酚羥基即可.

3)注意不穩定結構的問題

在設計合成路線時,要注意不要出現不穩定的分子結構,高中階段主要涉及:2個羥基連在1個碳上,該結構被稱作“偕二醇”,不穩定,會自動脫1分子水形成醛基或羰基;羥基和雙鍵連在1個碳上,該結構被稱作“烯醇式”,不穩定,會轉化成醛基或羰基;2個雙鍵連在1個碳上,不穩定,會自動變成單鍵和三鍵.

有機合成路線設計類試題中“中央突破法”解題思路如圖3所示.

圖3

例1(2023年湖南卷18,節選)含有吡喃萘醌骨架的化合物常具有抗菌、抗病毒等生物活性,一種合成該類化合物的路線如圖4所示(部分反應條件已簡化).甲苯與溴在FeBr3催化下發生反應,會同時生成對溴甲苯和鄰溴甲苯.依據由C 到D 的反應信息,設計以甲苯為原料選擇性合成鄰溴甲苯的路線:________(無機試劑任選).

烷基屬于鄰對位定位取代基,故甲苯和溴在FeBr3的條件下會同時生成對溴甲苯和鄰溴甲苯,通過反應原料(甲苯)與目標產物(鄰溴甲苯)的結構對比,不難發現其核心反應是甲苯與溴發生取代過程中取代基的定位問題.那么結合題干合成路線中的信息可知,決定定位問題的關鍵步驟就是磺酸基的取代,那么中間產物就是對磺酸基甲苯(),可通過甲苯的磺化合成中間產物,再設計由中間產物與溴發生定位取代生成,最后脫去磺酸基得到目標產物,具體的合成路線如圖5所示.

圖5

試題評析本設問中原料與目標產物結構變化不大,看似非常簡單的合成,然而卻需要特別關注取代基的“定位效應”,這便成為該合成路線的核心反應與關鍵步驟.但題干中提示要注意“取代基的定位問題”,同時給出參考“C 到D 的反應信息”使得本設問難度有所降低.所以在設計合成路線時,還需要關注“反應的先后即定位效應”,從而設計出合理的有機合成路線.

例2(2022年湖南卷19,節選)物質J是一種具有生物活性的化合物,其合成路線如圖6所示.

圖6

圖7

試題評析本設問中原料與目標產物結構差異較大,陌生信息比較多,充分考查了學生的信息提取與整合、邏輯推理與判斷的能力,綜合難度高.突破的關鍵是尋找核心反應,進而找準合成路線中的中間產物,再利用反應原料依次通過加成、氧化生成中間產物,最后完成合成路線設計.另外值得注意的是,要考慮“反應的先后”問題,原料應先加成再氧化,若先氧化,則酚類會被氧化成醌類物質,造成合成路線設計的失敗.

例3(2023年海南卷18,節選)局部麻醉藥福莫卡因的一種合成路線如圖8所示.

圖8

結合相關信息以苯甲醛和含有一兩個碳的有機物為原料,設計路線合成.

把原料苯甲醛與目標產物結構進行對比,兩者結構相差比較大,碳鏈的增長依舊是合成的關鍵步驟與核心反應.根據題干所給合成路線圖可知,A→B的碳鏈增長,A、B與原料、目標產物非常相似,則定A→B步驟為關鍵步驟,另外每次A→B 的轉化會引入1個碳碳雙鍵,而目標產物支鏈存在2個碳碳雙鍵,則需要進行兩次A→B 的轉化,再結合碳原子數目,設計合成路線思路為乙醇被催化氧化為乙醛、乙酸,乙酸與乙醇發生酯化反應生成乙酸乙酯,乙醛與乙酸乙酯反應生成CH3CH＝CHCOOC2H5;苯甲醛與CH3CH＝CHCOOC2H5反應生成,再水解生成,具體合成路線如圖9所示.

圖9

試題評析設計合成路線時要注意“先后次序”,因為原料苯甲醛支鏈碳原子數目比目標產物少4個,且題目要求合成過程中只能以“一兩個碳的有機物”為原料,故原料苯甲醛需要進行兩次碳鏈的增長,利用信息A→B 反應,苯甲醛先進行一次碳鏈增長,那么其醛基消失之后難以實現再增長,故要先合成CH3CH＝CHCOOC2H5,再與苯甲醛反應得到目標產物.

3 總結與反思

在今后的學習過程中,有機合成路線題依舊是各類大型考試及模擬訓練中的熱門考點,其分值高、難度大,是學生學習有機化學模塊需要重點突破的內容.對此筆者有以下幾點建議:1)加強對有機化學基礎知識的學習,熟練掌握有機物的性質,官能團之間的轉化;2)加強學習和訓練在陌生情境下提取有效信息、加工整合信息的能力;3)認真領會“尋找核心反應、關鍵步驟,力求中央突破”的解題策略,熟練掌握解答方法與技巧.通過學習實踐不斷提升自身的知識儲備和解題經驗,達到對此類試題應對自如的目標.

(完)