有机合成（Edexcel IAL 化学第5单元）

Edexcel 国际 A-Level 化学· 20.1–20.5 (WCH15)· 35 分钟阅读

1. 有机化合物的结构测定★★★☆☆⏱ 8 min

📘 定义

结构测定

利用定量数据和光谱数据，推导未知有机化合物的实验式、分子式和结构式的过程。

首先通过元素百分组成或燃烧分析数据，利用元素的物质的量之比计算实验式。使用质谱的分子离子峰得到相对分子质量，将实验式放大得到分子式。结合红外、¹H核磁共振和¹³C核磁共振数据（使用官方数据手册表格）识别官能团及其位置，得到完整的结构式。

📐 例题

某未知化合物元素组成为62.1% C、10.3% H、27.6% O，其分子离子峰的m/z=58，¹H核磁共振在δ=2.1处有一个单峰，积分值为6。推导其结构。

1
计算元素的物质的量之比：
$C: \frac{62.1}{12.0} = 5.175, H: \frac{10.3}{1.0} = 10.3, O: \frac{27.6}{16.0} = 1.725$
2
除以最小数值得到实验式：
$C: \frac{5.175}{1.725} = 3, H: \frac{10.3}{1.725} \approx 6, O: \frac{1.725}{1.725} = 1 \rightarrow 实验式 = C_3H_6O, M_r = 58 与分子离子峰匹配，因此分子式为 C_3H_6O$
3
¹H核磁共振峰为积分值6的单峰，说明存在两个等价的CH₃基团且没有相邻氢原子，唯一符合条件的结构是丙酮（CH₃COCH₃）。

Exam tip:

始终将你推导的最终结构与所有给定数据交叉核对，避免遗漏官能团或同分异构体的约束条件。

2. 用于碳链增长的格氏试剂★★★★☆⏱ 7 min

📘 定义

格氏试剂

RMgX

由卤代烷/卤代芳烃与镁屑在无水乙醚中反应生成的有机金属试剂。

格氏试剂具有亲核性，可向有机碳链中添加一个或多个碳原子，是合成中非常实用的试剂。根据考纲要求，它可与四种含羰基的物质反应，后续经酸水解：1. 二氧化碳（CO₂）→ 羧酸（增加1个碳原子）2. 甲醛 → 伯醇 3. 醛 → 仲醇 4. 酮 → 叔醇。所有反应必须在完全无水的乙醚中进行，因为格氏试剂会与水剧烈反应。

📐 例题

写出溴化乙基镁（CH₃CH₂MgBr）与丙酮的反应过程，包括反应条件和产物结构。

1
反应在无水乙醚中进行，避免与水发生副反应。
2
亲核性的乙基进攻丙酮中带正电的羰基碳原子，生成中间体烷氧负离子。
3
酸水解（例如稀HCl）将烷氧负离子质子化，得到最终产物2-甲基-2-丁醇，属于叔醇。

3. 设计多步有机合成路线★★★★☆⏱ 8 min

所有合成题最多为4步，且仅使用Edexcel IAL考纲范围内的反应。设计路线时：1. 对比起始原料和目标产物，识别官能团和碳链长度的变化。2. 为每一步选择合适的试剂和条件，确保没有副反应干扰目标产物。3. 尽可能选择产率更高、步骤更少的路线。你也可能被要求根据不熟悉的中间产物的官能团预测其性质。

📐 例题

设计以1-溴丙烷为起始原料合成丁酸的2步路线，写出每一步的试剂和条件。

1
步骤1：将1-溴丙烷与镁屑在无水乙醚中反应，生成溴化丙基镁（格氏试剂）。
2
步骤2：将CO₂通入格氏试剂溶液，随后加入稀HCl进行水解，产物为丁酸，相比起始原料多了一个碳原子。

Exam tip:

每一步都要清晰标注试剂和反应条件——即使完整路线有误，正确的试剂也能拿到部分分数。

4. 有机合成实验提纯技术★★★☆☆⏱ 7 min

合成出有机产物后，你需要先对其提纯再进行分析。选择的技术取决于产物是固体还是液体：
• 固体：重结晶、熔点测定
• 液体：蒸馏、水蒸气蒸馏、溶剂萃取
通用提纯步骤包括用水或碳酸钠溶液洗涤除去酸性杂质，用无水盐（例如MgSO₄）干燥，然后过滤除去干燥剂。

📐 例题

你合成了一种不溶于水的液态有机产物，其中混有未反应的羧酸原料，简述提纯步骤。

1
1. 在分液漏斗中用稀碳酸钠溶液洗涤粗产物混合物，将羧酸杂质中和为可溶性钠盐，进入水层。
2
1. 放出下层水层并弃去，随后用蒸馏水洗涤有机层，除去残留的碳酸盐。
3
1. 向有机层中加入无水硫酸镁进行干燥，随后过滤除去固体干燥剂。
4
1. 蒸馏剩余的有机液体，在产物的已知沸点下收集纯产物。

5. 核心实验16：阿司匹林的制备★★★☆☆A2 专属⏱ 5 min

阿司匹林（2-乙酰氧基苯甲酸）由2-羟基苯甲酸（水杨酸）与乙酸酐反应合成，使用浓磷酸作为催化剂。反应加热回流10分钟后，粗产物通过乙醇重结晶提纯，通过测定熔点验证纯度（纯阿司匹林的熔点为136°C）。

📐 例题

说明粗阿司匹林后处理中使用碳酸钠溶液的原因，以及该步骤中你会观察到什么现象。

1
碳酸钠溶液会中和所有未反应的2-羟基苯甲酸和磷酸催化剂，将它们转化为可溶性钠盐。
2
你会观察到冒泡现象（CO₂气体逸出），这是碳酸盐与酸性杂质反应的特征。

6. 常见陷阱

错误做法:

格氏反应忘记标注无水乙醚作为反应条件

原因:

格氏试剂会与水剧烈反应，生成不需要的烷烃副产物，同时带来安全风险

正确做法:

格氏试剂的生成和反应过程中，必须明确说明使用无水乙醚作为溶剂，后续进行酸水解

错误做法:

使用考纲外的命名反应（例如傅-克酰基化）进行碳链增长

原因:

本主题考纲仅允许使用格氏试剂进行碳链增长，使用额外的反应不会得分

正确做法:

合成路线仅使用考纲允许的4种格氏反应和之前学过的考纲内有机反应

错误做法:

设计超过4步的合成路线

原因:

所有Edexcel IAL WCH15的合成题最多为4步，即使更长的路线理论上可行也会被判错

正确做法:

找到最短的可行路线（最多4步），使用考纲允许的反应

错误做法:

仅用水洗除去酸性有机杂质

原因:

水只能除去可溶性离子杂质，无法除去大部分非极性的未反应有机酸

正确做法:

先用稀碳酸钠溶液洗涤，将有机酸中和为可溶性离子盐，再用水洗除去残留的碳酸盐

错误做法:

不核对分子离子峰，直接从实验式写出分子式

原因:

实验式是元素的最简整数比，可能只是实际相对分子质量的几分之一

正确做法:

使用质谱的分子离子峰得到相对分子质量，将实验式放大得到正确的分子式

7. 速查表

任务	试剂/方法	关键条件
生成格氏试剂	Mg + 卤代烷	无水乙醚溶剂
由格氏试剂制备羧酸	CO₂ + 稀酸水解	无水乙醚，随后加入H⁺(水溶液)
提纯固体有机产物	重结晶	使用最少体积的热溶剂
提纯液体有机产物	蒸馏	在产物的沸点温度下收集馏分
推导分子式	实验式 + 质谱分子离子峰	将相对分子质量与放大后的实验式质量匹配
制备阿司匹林	水杨酸 + 乙酸酐，浓H₃PO₄	加热回流10分钟

8. 常见问题

为什么格氏反应需要无水乙醚？

格氏试剂会与水剧烈反应生成烷烃，因此所有玻璃仪器和溶剂都必须完全干燥，避免副反应和安全隐患。

合成路线题最多允许多少步？

所有Edexcel IAL WCH15的合成题最多为4步，仅允许使用考纲范围内的反应，超出考纲的命名反应不被认可也不会给分。

深入阅读

syllabusEdexcel IAL 化学考纲（2018年及以后）参考第20节获取完整的主题指导
core_practical核心实验16：阿司匹林制备指南

下一步

现在你已经掌握了Edexcel IAL 化学第5单元的有机合成内容，可以开始练习往年真题，将知识应用到考试场景中。合成题通常是跨章节的综合题，因此复习第1、2、4单元的所有有机反应内容，能帮助你快速确定多步路线所需的步骤。你也需要练习解读组合光谱数据，因为结构测定题经常和合成题一同出现在WCH15试卷中。不要忘记彻底复习核心实验16，阿司匹林制备和提纯相关的实验题非常常见，且分值占比较高。