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科普| 中国化学奥林匹克(二)

发布时间:2020年04月20日 来源:中国化学会

 

科学的世界丰富多彩,或许大家对其中的奥秘还没有深刻的认知,但是化学的奇妙世界,却是一眼就能让人觉得那是一个很有意思的世界。也许很多人从小就开始对这个世界充满疑惑,化学的奇妙世界到底是什么原理呢?世界很精彩,化学世界尤其精彩。

当然,化学世界的丰富多彩,还体现在化学的理论原理中。在上一期中,给大家留了一道2018年7月在斯洛伐克布拉迪斯拉发和捷克布拉格举办的第50届国际化学奥林匹克竞赛理论题第7题―西多福韦。不知道大家对这道有机合成化学推断题分析得怎么样了呢?下面就跟我一起来详细分析下这道题吧。

 

中国化学奥林匹克(决赛)获奖证书

 

7-1 画出化合物A–D的结构式,包括立体化学。一个A分子产生两个B分子。

7-2 画出化合物3的所有其他异构体的结构式——这些异构体可用于相同的反应过程,仅生成相同的产物2

二醇2可以进一步修饰并转化为化合物1。用于将化合物F转化为G的磷酸酯4的合成将在后面讨论。

 

7-3 画出化合物E–I的结构式,包括立体化学。用缩写MMT表示4-甲氧基苯基二苯基甲基((4-methoxyphenyl)diphenylmethyl)基团。

磷酸酯4可以通过以下合成路线制备:

 

7-4 画出化合物J–L的结构式。

化合物I(来自题目7.3 )与胞嘧啶5反应得到一种异构体M N 的比例为3:1 的混合物。这两种产物的形成可以理解为,胞嘧啶(5)也可异构化为具有芳香性的互变异构体P,因而产生两种产物。M与1,4-环己二烯及氢氧化钯/碳反应生成化合物O。化合物O 中的磷酸酯部分进一步与三甲基溴硅烷反应生成西多福韦1

 

7-5 画出两个异构体MN以及化合物O的结构式,包括立体化学;画出胞嘧啶(5)的具有芳香性的互变异构体P的结构式。MO的转变过程是去保护基团。

7-6 画出Q(来自环己二烯)和R(来自保护基)的结构式,它们是MO的转化过程中生成的两个简单的有机副产物。

题目解析:

由L-甘露糖醇(3)到分子2,这显然是一个保护端位两个–OH的反应。酮或醛在脱水剂作用下易与具有适当空间的1,3-二醇羟基或邻二醇羟基生成环状的缩醛或缩酮。常用脱水剂是无水氯化锌、无水硫酸铜等 可以利用缩醛、缩酮反应作为某些羟基保护剂。

高碘酸(H5IO5)、偏高碘酸钾(KIO4)以及偏高碘酸钠(NaIO4)的水溶液可以使1,2-二醇或邻二醇的碳碳键断裂,醇羟基转化成相应的醛、酮,并且可以定量反应。因此根据高碘酸根离子的消耗量可以推测多元醇中所含邻羟基的数目。

另外,根据羰基化合物,可以用氢化金属化合物还原成–OH,最常用的是氢化铝锂和硼氢化钠。氢化铝锂能产生氢负离子,并与羰基碳原子结合,形成醇盐,经水解可以得醇。另外,氢化铝锂在水中会分解,在醚类溶剂中稳定,因此反应溶剂一般在醚类溶剂中进行。硼氢化钠的还原反应机理和氢化铝锂相同,反应产生的BH4是唯一进攻试剂,但是反应活性不如氢化铝锂。同时,反应必须在质子溶剂中进行,在水/醇中具有一定的稳定性,特别在碱性条件下比较稳定,因此常用醇溶液作为反应溶剂。

Willianmson(威廉森)合成方法:NaH是有机合成中用途很广泛的强碱,Et3N也是一种有机碱,但是反应活性低于NaH。它可以夺取醇–OH的质子而生成相应的醇钠化合物,RONa。这被常用于制备醚类化合物,包括对称醚类和不对称醚类化合物。

反应机理:RONa+R1X→ROR1+NaX

R1X中常用卤代烷烃,同时磺酸酯或者硫酸酯也常用于该反应。例如:

 

根据以上分析,我们可以推测出7-1以及7-3的化学反应方程式。

 

7-1反应方程式

 

7-3 反应方程式

根据磷酸酯4的化学结构式,可以推断出前一步反应为Willianmson反应,则L为醇类化合物。前一步在乙醇钠作用下同样经行Willianmson反应,然后在酸性条件下发生酯类的水解反应,最终生成醇。

 

7-4化学反应方程式

嘧啶环可以用1,3-二羰基化合物与尿素发生缩合反应得到。其化学反应方程式如下:

 

嘧啶酮可以发生互变异构体。根据题目中提示的同分异构体具有芳香性,因此,我们可以得知胞嘧啶的另一同分异构体结构为醇式,但是平衡主要存在酮式一边。即酮式构型分子可以较为稳定的存在。在碱性条件下可以发生如下反应:

 

根据最终产物西多福韦(1)的分子式,对比以上胞嘧啶的衍生物可知,后续反应式应该为醚类中C-O键断裂的过程。Pd(OH)2/C为有机合成反应中常见催化剂,主要起催化加氢作用:烯烃加氢、还原苯甲酸、醛氧化成酸、酚还原成环己酮以及氧苄基苯脱苄基等。同时分子M中存在氧苄基苯。因而在Pd(OH)2/C催化作用下可以发生一下反应:

 

因此,根据以上分析,我们可以依次得出各个化合物的分子式。到这里,这道国家化学奥林匹竞赛理论题全部推断出来了。可以看出,要是没有扎实的有机合成反应机理的基础,是很难全部解答出来的。

 

中国化学奥林匹克竞赛流程

预赛基本没有门槛,人数较多,只考理论不考实验,由各省自行命题,考试时长、总分视本省情况而定。主要考查无机、有机和部分结构的内容,一般是高考题的拔高+少量的竞赛题。从预赛中脱颖而出,就获得了参加初赛的资格。

初赛也称“国初”,考试难度远大于预赛,国初对于化竞生非常重要,淘汰率也是最高的。从2019年开始,化学竞赛调整全国初赛规模,参赛总人数不超过8万人,各省、自治区、直辖市参加全国初赛人数不超过3000人。

主要考查化学基本原理(含分析)、基础有机化学、无机元素与晶体结构。

各省将在决赛前选出省队代表本省参加全国决赛,全国总共会有340人左右进入决赛。决赛考试分为理论+实验两部分:理论部分考试时长4小时,总分100分,占总成绩的70%,10道左右简答题,相比初赛难度增加,范围扩大,涵盖中级有机、中级无机以及物理化学。隔天进行实验考试,考试时长4.5小时左右,总分100分,占总成绩的30%。

 

决赛省队队员选拔办法

各省、自治区、直辖市代表队的选拔应该坚持公平、公正的原则。选拔工作应在本省(级)化学会领导下进行,选拔的办法、要求、程序等内容应该公开。参加省队选拔的学生必须是获得当届中国化学奥林匹克初赛一等奖的学生。

第一种,鼓励选拔通过追加理论考试和化学实验考试或者追加实验考试进行二次遴选,决定省代表队组成。初赛成绩占40%,本省选拔期间的理论考试成绩占30%,实验考试成绩占30%。只追加实验考核,初赛成绩为60%,实验考核成绩占40%。

第二种,只采取追加理论考试进行选拔的。总成绩加合,初赛成绩不少于60%、理论考试成绩不高于40%。

第三种,按照学生的初赛成绩依次由高至低获得参加决赛资格。若有学生放弃,必须依次递补,不受其他因素干扰和影响。

上述3种选拔办法,各省可以根据本省情况自行决定选择三种办法之一进行选拔,选择后的选拔办法报中国化学会竞赛委员会备案,不得更改,并严格执行。如需调整,应在下一届初赛之前提出调整。

近些年,中国化学竞赛活动越来越受到广大青少年的重视,每年都有近10万名高中学生报名参加“全国高中学生化学竞赛”活动。通过竞赛激励了那些才华出众的中学生参加国际化学奥林匹克竞赛活动,为我国早期发现一批优秀化学人才奠定了基础,并扩大了化学教育思想、化学教材、化学教学方面的国际交流,同时激发了千百万中学生学习化学的热情。看到这,是不是心动了呢?心动不如行动,喜欢化学、擅长化学的同学们,可以带着对化学世界的无限遐想,报名参加啦,一定能更深入的感受到化学的奇妙世界。最后,我也祝愿踊跃参加中国化学奥林匹克竞赛的同学们能取得好的成绩。

 

(来源:化学通讯微信公众号,闵阳/撰稿)