# 合成路线规划

> CIE A-Level 化学 · 9701
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u27-synthetic-route-planning/

本模块讲解CIE 9701考试中的多步合成路线规划，内容包括逆合成分析、试剂选择和备选路线评价。你将学会规划考题中常见的2-3步合成路线。

**先修:** [官能团相互转化和核心有机反应](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u26-functional-group-interconversions/); 有机官能团的命名和结构

## 学习目标

- 运用逆合成分析法将目标分子拆解为起始原料
- 规划2-3步合成路线，写出正确的试剂和条件
- 根据产率、成本和副反应评价备选合成路线
- 避免CIE 9701考题中常见的规划错误

## 逆合成分析基础

**逆合成分析** — 从目标分子出发的反向规划方法，逐步将分子拆解为更简单的前体，最终得到容易获取的起始原料

*记法:* 使用逆合成箭头 $\Rightarrow$ 表示"可由...制得"

*例:* 规划乙酸乙酯的合成就先将其切断为乙醇和乙酸

逆合成通过逐步缩小目标分子的规模简化复杂的规划问题，更便于找到可行的起始原料和反应序列。

**例题:** 以简单烯烃为起始原料，写出丙酸丙酯的逆合成切断

1. 从目标分子丙酸丙酯开始：$CH_3CH_2COOCH_2CH_2CH_3$
2. 切断酯键，得到两个所需前体：
3. 丙酸丙酯 $\xRightarrow{retro}$ 丙酸（$CH_3CH_2COOH$） + 1-丙醇（$CH_3CH_2CH_2OH$）
4. 两个前体都可由丙烯（$CH_3CH=CH_2$）制得，丙烯是廉价易得的起始原料
5. 最终逆合成序列：$CH_3CH_2COOCH_2CH_2CH_3 \xRightarrow{retro} CH_3CH_2COOH + CH_3CH_2CH_2OH \xRightarrow{retro} CH_3CH=CH_2$

> **考试提示:** 逆合成分析必须使用逆合成箭头（而非标准反应箭头）才能拿满分

## 试剂和条件的选择

确定路线后，你需要为每一步写出正确的试剂和条件。CIE评分标准中正确条件占很高分值，因此绝对不能遗漏。

> **tip**
>
> 即使试剂已经正确，仅条件正确通常也能得1-2分

**例题:** 写出1-溴丙烷到丙酸的两步合成路线所需的试剂和条件

1. 步骤1：将1-溴丙烷（一级卤代烷）水解为1-丙醇
2. 试剂：氢氧化钠水溶液（$NaOH$），条件：加热回流
3. 反应：$CH_3CH_2CH_2Br + NaOH \rightarrow CH_3CH_2CH_2OH + NaBr$
4. 步骤2：将1-丙醇（一级醇）氧化为丙酸
5. 试剂：酸性重铬酸钾(VI)（$K_2Cr_2O_7/H_2SO_4$），条件：使用过量氧化剂，加热回流
6. 反应：$CH_3CH_2CH_2OH + 2[O] \rightarrow CH_3CH_2COOH + H_2O$，其中$[O]$代表氧化剂

## 完整三步合成路线的规划

规划正向完整路线时，需要结合逆合成分析的结果和你掌握的试剂知识。一定要检查每一步是否会影响分子中已有的官能团，必要时调整反应顺序。

**概念自测**

继续学习前先测试你的预备知识

1. 哪种试剂可以将烯烃转化为邻二醇？

   - 冷的稀酸性高锰酸钾(VII)
   - 热的浓酸性高锰酸钾(VII)
   - 溴水
   - 溴化氢

   *答案:* 冷的稀酸性高锰酸钾(VII)

   *解析:* 正确。冷稀$KMnO_4$将烯烃氧化为二醇；热$KMnO_4$会断裂双键。

**例题:** 规划从乙烯到2-羟基丙酸（乳酸）的三步合成路线，写出所有试剂和条件

1. 逆合成拆解：$CH_3CH(OH)COOH \xRightarrow{retro} CH_3CH(OH)CN \xRightarrow{retro} CH_3CHO \xRightarrow{retro} CH_3CH_2OH \xRightarrow{retro} H_2C=CH_2$
2. 步骤1：乙烯水合为乙醇。试剂：水蒸气，浓磷酸催化剂。条件：300℃，60 atm。
3. 步骤2：乙醇氧化为乙醛。试剂：酸性重铬酸钾(VI)，乙醇过量。条件：生成产物后立即蒸馏，防止进一步氧化。
4. 步骤3a：HCN对乙醛的亲核加成。试剂：HCN，NaCN作催化剂。条件：室温。产物：2-羟基丙腈（$CH_3CH(OH)CN$）
5. 步骤3b：将2-羟基丙腈水解为2-羟基丙酸。试剂：稀盐酸。条件：加热回流。最终产物：$CH_3CH(OH)COOH$

> **考试提示:** 即使步骤看起来很简单，也要为每一步清楚写出试剂和条件

## 备选合成路线的评价

CIE考题经常要求你从多个选项中选出最佳路线，需要根据以下关键标准评价路线：

- 总产率：步骤更少通常产率更高，但多步高产率优于单步低产率
- 副反应：优先选择不会使其他官能团发生副反应的路线
- 成本：起始原料和试剂越便宜越好
- 安全性：优先选择毒性更低的试剂
- 纯度：优先选择产物容易提纯的路线

**例题:** 制备乙酰胺有两条路线：路线1（乙酸 → 乙酰氯 → 乙酰胺）和路线2（乙酸乙酯 → 直接氨解得到乙酰胺）。哪条路线更好？

1. 路线1 步骤1：乙酸 + PCl5 → 乙酰氯（室温，高产率）
2. 路线1 步骤2：乙酰氯 + 浓氨水 → 乙酰胺（室温，反应完全）
3. 路线2：乙酸乙酯 + 浓氨水 → 乙酰胺（回流，可逆反应）
4. 评价：尽管路线1有两步，但得到的纯产物产率高得多。路线2虽然是单步，但反应可逆，因此产率低。
5. 结论：根据CIE 9701的评分标准，路线1是更优选择

## 常见错误

- **错误做法:** 逆合成中使用标准反应箭头而非逆合成箭头
  - 原因: 阅卷老师要求使用正确符号来证明你理解反向规划的概念
  - 正确做法: 使用逆合成箭头（⇒）或将切断步骤明确标注为逆合成
- **错误做法:** 氧化一级醇为羧酸时，没有加热回流也没有使用过量氧化剂
  - 原因: 没有回流和过量氧化剂，只会生成中间体醛
  - 正确做法: 制备羧酸时一定要注明：过量酸性重铬酸钾(VI)，加热回流
- **错误做法:** 只列出试剂，忘记写反应条件
  - 原因: CIE评分标准中每一步的正确条件占1分，这些送分题很容易丢分
  - 正确做法: 每一步都一定要写上所有相关条件（温度、回流、催化剂）
- **错误做法:** 不考虑产率，认为更短的路线一定更好
  - 原因: 一步可逆、低产率的路线不如每一步都高产率的两步路线
  - 正确做法: 选择最优路线前要评价所有标准（产率、副反应、成本）
- **错误做法:** 氧化时不对活泼官能团进行保护
  - 原因: 氧化剂会和双键、醇反应，生成不需要的副产物
  - 正确做法: 调整步骤顺序：先进行氧化，最后一步再生成活泼官能团

## 速查表

| 规划步骤 | 核心要求 | 常见检查点 |
| --- | --- | --- |
| 逆合成 | 将目标切断为简单起始原料 | 使用逆合成箭头 |
| 氧化试剂 | 一级醇→羧酸：回流 + 过量氧化剂 | 一级醇→醛：立即蒸馏产物 |
| 反应顺序 | 调整顺序避免副反应 | 先氧化，后引入活泼基团 |
| 路线评价 | 总产率更高 > 步骤更少 | 检查是否有毒性或昂贵的试剂 |
| 评分标准提示 | 每一步1分试剂，1分条件 | 一定要清晰标注每一步 |

## 下一步

合成路线规划是CIE 9701 A-Level化学中占比分很高的核心考点，每次考试的试卷2和试卷4都会出现。掌握这项技能需要熟练掌握所有常见的官能团相互转化，定期练习可以帮助你自动记住每一步正确的试剂和条件。本考点是涉及芳香化合物、聚合物、立体控制产物的更复杂合成问题的基础，你在处理更大的目标分子时会用到相同的逆合成规划方法。掌握基础的2-3步路线规划后，你可以继续学习高级内容，包括副反应预测和复杂有机分子的多步合成。

- [产率和纯度计算](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u27-yield-and-purity-calculations/)
- [核磁共振波谱法](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u28-overview/)
- [¹H NMR原理](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u28-principles-of-1h-nmr/)

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来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u27-synthetic-route-planning/