案例法在羧酸类化合物合成教学中的应用

王辉+徐鲁斌

【摘 要】在以苯為原料合成3-苯基丙酸的设计过程中，汇总了氧化法、水解法、羧基化法、还原法等共计11种合成路线，涉及到烯烃的合成、炔烃的合成、卤代烃的合成、格氏试剂的合成、醇的合成、醛的合成、酮的合成、不饱和酸的合成、酯的合成，涵盖了氧化反应、还原反应、加成反应、取代反应、缩合反应、消除反应等六大反应类型，能够以点带面，形成一个比较系统化的知识网络，达到训练学生发散性思维和多角度分析解决问题的目的。

【关键词】案例教学法；羧酸合成；有机合成设计

【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）是分子内含有羧基的化合物，其本身结构比较稳定，所以广泛存在于自然界中，是生物体的重要代谢产物，也是重要的有机合成中间体及原料[1]。

羧酸从合成方法上来说，可通过氧化法，水解法，羧基化等方法来进行制备，该类化合物的合成教学如果仅仅从方法上讲解，学生印象不深，也很难理解并加以运用到合成设计中[2-3]。案例教学能够激发学生兴趣，提高学生分析问题、解决问题的能力，实现理论知识的巩固与提升，在实际教学过程中合理加以运用能够起到事半功倍的教学效果[4-7]。本文以苯制备3-苯基丙酸为例，系统阐述案例法在羧酸类化合物合成教学中的应用。

以苯为原料制备3-苯基丙酸，从题目本身来看，原料与产物之间差别三个碳原子，明显属于扩链反应，其合成难度不大，大部分学生都能合成出来，之所以选择这个题目作为案例法教学的经典案例，是因为以苯为原料进行扩链的合成方法有很多，重点在于一题多解，培养学生发散性思维和多角度分析和解决问题的能力。

1 氧化法

羧酸具有较高的氧化态，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，既可用于它们的结构测定，亦是羧酸的合成方法，芳烃的侧链氧化是合成芳酸的主要方法，环酮的裂解氧化适用于合成二元羧酸，甲基酮（醇）的卤仿反应是将乙酰基转变成羧基的有效方法。本案例中，通过醇[图1（1）]的氧化、醛[图1（2）]的氧化，以及烯烃[图1（3）]和炔烃[图1（4）]的断键氧化均可得到羧酸，不可忽视的是，利用卤仿反应[图1（5）]也是合成羧酸不错的选择。

从合成操作上分析，这几种氧化反应均为官能团转换，即通过官能团的转换来实现目标化合物的合成。由于起始原料为苯，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-丁酮则需要进一步的逆合成分析，从而涉及到醇的合成、醛的合成、烯烃的合成、炔烃的合成以及甲基酮的合成，可进一步引导学生复习巩固相关内容。五个中间体中，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-丁炔还原或水解得到，进一步对3-苯基丙醇和4-苯基-1-丁炔进行逆合成分析，均可落脚到卤代烃苄基卤或1-苯基-2-卤乙烷（如图2）上，距离原料已经非常接近，稍加处理即可完成。需要说明的是，由原料苯制备3-苯基丙醇、3-苯基丙醛再到3-苯基丙酸是做加法（即扩链），而由原料苯制备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减法（即先扩链再缩链），属于合成技巧的灵活运用。

2 水解法

羧酸衍生物如酰氯、酸酐、酯[图3（1）]、酰胺均能水解成羧酸，水解的过程是水分子对这些化合物进行亲核取代而进行的。与上述四种衍生物相比，腈[图3（2）]的水解反应更为常用，另外，利用活泼亚甲基化合物丙二酸二乙酯[图1（3）]和乙酰乙酸乙酯[图3（4）]也可以制备羧酸。

羧酸衍生物一般由羧酸来制备，常规酸由羧酸衍生物制备价值不大，该案例中，可运用官能团添加，在3-苯基丙酸乙酯结构中增加羰基，变成1，3-二羰基化合物，继而考虑利用酯缩合的方法来进行制备[如图4（1）]。在水解反应制备羧酸的路线中，氰基水解是最常用的，利用卤代烃与NaCN或KCN的亲核取代反应，可轻松引入该官能团[如图4（2）]。活泼亚甲基化合物丙二酸二乙酯[如图4（3）]和乙酰乙酸乙酯[如图4（4）]制备取代乙酸则是该类化合物的经典应用。经逆合成分析，可落脚到苄基卤与丙二酸二乙酯和乙酰乙酸乙酯的亲核取代上。

3 羧基化法

有机金属化合物可借羧化反应的方法引入羧基，这是合成羧酸的另一类重要方法。最为常用的要数格氏试剂。

与前面几种合成方法一样，同样涉及到中间体1-苯基-2-卤乙烷的合成，对于卤代烃的合成，同样有很多路线可以选择，由2-苯基乙醇进行亲核取代或者由苯乙烯进行亲电加成均可。

4 还原法

除了上述氧化法、水解法和羧基化法之外，3-苯基丙酸還可以通过3-苯基丙烯酸的加氢还原进行制备，3-苯基丙烯酸为α，β-不饱和酸，可通过Knoverenagel缩合[图6（1）]或醛与HCN的亲核加成[图6（2）]来制备。

5 结论

综上所述，在以苯为原料合成3-苯基丙酸的设计过程中，汇总了氧化法、水解法、羧基化法、还原法等共计11种合成路线，涉及到烯烃的合成、炔烃的合成、卤代烃的合成、格氏试剂的合成、醇的合成、醛的合成、酮的合成、不饱和酸的合成、酯的合成，涵盖了氧化反应、还原反应、加成反应、取代反应、缩合反应、消除反应等六大反应类型，能够以点带面，形成一个比较系统化的知识网络，达到训练学生发散性思维和多角度分析解决问题的目的，属于一个比较典型的合成案例。

【参考文献】

[1]徐雅琴，黄长干，主编.有机化学[M].北京：中国农业出版社，2009，7.

[2]汤小芳，刘显民，顾焰波，等.PBL教学法在有机化学教学中的应用[J].广东化工，2015，42（11）：263-264.

[3]梁静，高宏峰，赵炜.案例教学法在有机合成设计课程中的应用探索[J].化工高等教育，2013，30（3）：63-68.

[4]刘长军.案例法教学设计三例[J].化学教学，2005（10）：29-31.

[5]曾庆乐.案例创新教学法及在《有机合成》教学中的运用[J].时代教育，2015（7）：4-4.

[6]汤洪敏.案例式教学法在有机化学教学中的应用探索[J].教育文化论坛，2010， 2（5）：89-91.

[7]梁静，李保民，赵云.问题探究式教学模式在有机合成设计中的应用[J].高等理科教育，2014（4）：97-101.

[责任编辑：田吉捷]