案例法在羧酸類化合物合成教學(xué)中的應(yīng)用

王輝+徐魯斌

【摘 要】在以苯為原料合成3-苯基丙酸的設(shè)計(jì)過(guò)程中，匯總了氧化法、水解法、羧基化法、還原法等共計(jì)11種合成路線，涉及到烯烴的合成、炔烴的合成、鹵代烴的合成、格氏試劑的合成、醇的合成、醛的合成、酮的合成、不飽和酸的合成、酯的合成，涵蓋了氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、加成反應(yīng)、取代反應(yīng)、縮合反應(yīng)、消除反應(yīng)等六大反應(yīng)類型，能夠以點(diǎn)帶面，形成一個(gè)比較系統(tǒng)化的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生發(fā)散性思維和多角度分析解決問(wèn)題的目的。

【關(guān)鍵詞】案例教學(xué)法；羧酸合成；有機(jī)合成設(shè)計(jì)

【Abstract】In the process of synthesizing 3-phenylpropionic acid with benzene as raw material，11 kinds of synthetic routes were synthesized， such as oxidation method，hydrolysis method， carboxylation method and reduction method，involving the synthesis of olefins，the synthesis of alkynes，the synthesis of halohydrocarbon，the synthesis of Grignard reagents，the synthesis of alcohols，the synthesis of aldehydes，the synthesis of ketones，the synthesis of unsaturated acids，the synthesis of esters.Six types of reaction were used in this process，including the oxidation reaction，the reduction reaction，the addition reaction，the substitution reaction，the condensation reaction，the elimination reaction，to point to the surface，the formation of a more systematic knowledge of the network， to train students to divergent thinking and multi-angle analysis to solve the problem.

【Key words】Case teaching method；Carboxylic acid synthesis；Organic synthesis design

0 引言

羧酸（RCOOH）是分子內(nèi)含有羧基的化合物，其本身結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，所以廣泛存在于自然界中，是生物體的重要代謝產(chǎn)物，也是重要的有機(jī)合成中間體及原料[1]。

羧酸從合成方法上來(lái)說(shuō)，可通過(guò)氧化法，水解法，羧基化等方法來(lái)進(jìn)行制備，該類化合物的合成教學(xué)如果僅僅從方法上講解，學(xué)生印象不深，也很難理解并加以運(yùn)用到合成設(shè)計(jì)中[2-3]。案例教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的鞏固與提升，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中合理加以運(yùn)用能夠起到事半功倍的教學(xué)效果[4-7]。本文以苯制備3-苯基丙酸為例，系統(tǒng)闡述案例法在羧酸類化合物合成教學(xué)中的應(yīng)用。

以苯為原料制備3-苯基丙酸，從題目本身來(lái)看，原料與產(chǎn)物之間差別三個(gè)碳原子，明顯屬于擴(kuò)鏈反應(yīng)，其合成難度不大，大部分學(xué)生都能合成出來(lái)，之所以選擇這個(gè)題目作為案例法教學(xué)的經(jīng)典案例，是因?yàn)橐员綖樵线M(jìn)行擴(kuò)鏈的合成方法有很多，重點(diǎn)在于一題多解，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維和多角度分析和解決問(wèn)題的能力。

1 氧化法

羧酸具有較高的氧化態(tài)，伯醇及醛的氧化是沿用已久的合成羧酸的重要方法，烯炔的氧化，既可用于它們的結(jié)構(gòu)測(cè)定，亦是羧酸的合成方法，芳烴的側(cè)鏈氧化是合成芳酸的主要方法，環(huán)酮的裂解氧化適用于合成二元羧酸，甲基酮（醇）的鹵仿反應(yīng)是將乙酰基轉(zhuǎn)變成羧基的有效方法。本案例中，通過(guò)醇[圖1（1）]的氧化、醛[圖1（2）]的氧化，以及烯烴[圖1（3）]和炔烴[圖1（4）]的斷鍵氧化均可得到羧酸，不可忽視的是，利用鹵仿反應(yīng)[圖1（5）]也是合成羧酸不錯(cuò)的選擇。

從合成操作上分析，這幾種氧化反應(yīng)均為官能團(tuán)轉(zhuǎn)換，即通過(guò)官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的合成。由于起始原料為苯，合成3-苯基丙酸所需的3-苯基丙醇、3-苯基丙醛、4-苯基-1-丁烯、4-苯基-1-丁炔和4-苯基-2-丁酮?jiǎng)t需要進(jìn)一步的逆合成分析，從而涉及到醇的合成、醛的合成、烯烴的合成、炔烴的合成以及甲基酮的合成，可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固相關(guān)內(nèi)容。五個(gè)中間體中，3-苯基丙醛可由3-苯基丙醇氧化得到，4-苯基-1-丁烯和4-苯基-2-丁酮均可由4-苯基-1-丁炔還原或水解得到，進(jìn)一步對(duì)3-苯基丙醇和4-苯基-1-丁炔進(jìn)行逆合成分析，均可落腳到鹵代烴芐基鹵或1-苯基-2-鹵乙烷（如圖2）上，距離原料已經(jīng)非常接近，稍加處理即可完成。需要說(shuō)明的是，由原料苯制備3-苯基丙醇、3-苯基丙醛再到3-苯基丙酸是做加法（即擴(kuò)鏈），而由原料苯制備4-苯基-1-丁烯、4-苯基-1-丁炔和4-苯基-2-丁酮再到3-苯基丙酸是先做加法再做減法（即先擴(kuò)鏈再縮鏈），屬于合成技巧的靈活運(yùn)用。

2 水解法

羧酸衍生物如酰氯、酸酐、酯[圖3（1）]、酰胺均能水解成羧酸，水解的過(guò)程是水分子對(duì)這些化合物進(jìn)行親核取代而進(jìn)行的。與上述四種衍生物相比，腈[圖3（2）]的水解反應(yīng)更為常用，另外，利用活潑亞甲基化合物丙二酸二乙酯[圖1（3）]和乙酰乙酸乙酯[圖3（4）]也可以制備羧酸。

羧酸衍生物一般由羧酸來(lái)制備，常規(guī)酸由羧酸衍生物制備價(jià)值不大，該案例中，可運(yùn)用官能團(tuán)添加，在3-苯基丙酸乙酯結(jié)構(gòu)中增加羰基，變成1，3-二羰基化合物，繼而考慮利用酯縮合的方法來(lái)進(jìn)行制備[如圖4（1）]。在水解反應(yīng)制備羧酸的路線中，氰基水解是最常用的，利用鹵代烴與NaCN或KCN的親核取代反應(yīng)，可輕松引入該官能團(tuán)[如圖4（2）]。活潑亞甲基化合物丙二酸二乙酯[如圖4（3）]和乙酰乙酸乙酯[如圖4（4）]制備取代乙酸則是該類化合物的經(jīng)典應(yīng)用。經(jīng)逆合成分析，可落腳到芐基鹵與丙二酸二乙酯和乙酰乙酸乙酯的親核取代上。

3 羧基化法

有機(jī)金屬化合物可借羧化反應(yīng)的方法引入羧基，這是合成羧酸的另一類重要方法。最為常用的要數(shù)格氏試劑。

與前面幾種合成方法一樣，同樣涉及到中間體1-苯基-2-鹵乙烷的合成，對(duì)于鹵代烴的合成，同樣有很多路線可以選擇，由2-苯基乙醇進(jìn)行親核取代或者由苯乙烯進(jìn)行親電加成均可。

4 還原法

除了上述氧化法、水解法和羧基化法之外，3-苯基丙酸還可以通過(guò)3-苯基丙烯酸的加氫還原進(jìn)行制備，3-苯基丙烯酸為α，β-不飽和酸，可通過(guò)Knoverenagel縮合[圖6（1）]或醛與HCN的親核加成[圖6（2）]來(lái)制備。

5 結(jié)論

綜上所述，在以苯為原料合成3-苯基丙酸的設(shè)計(jì)過(guò)程中，匯總了氧化法、水解法、羧基化法、還原法等共計(jì)11種合成路線，涉及到烯烴的合成、炔烴的合成、鹵代烴的合成、格氏試劑的合成、醇的合成、醛的合成、酮的合成、不飽和酸的合成、酯的合成，涵蓋了氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、加成反應(yīng)、取代反應(yīng)、縮合反應(yīng)、消除反應(yīng)等六大反應(yīng)類型，能夠以點(diǎn)帶面，形成一個(gè)比較系統(tǒng)化的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生發(fā)散性思維和多角度分析解決問(wèn)題的目的，屬于一個(gè)比較典型的合成案例。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]