聯招化學·有機合成路線：官能團保護、步驟順序與總產率

題目性質：自編仿真題——題目、材料、選項、數據與情境均為按課程標準與聯招常見考點獨立編寫的原創仿真題，非真題原文，未取自任何題庫、教輔或試卷；解析與採分點為教研整理，非官方評分標準。

一、考點定位與做題順序

設計合成路線，先問三件事：要不要保護、步驟順序會不會改定位、總產率怎麼算。以苯胺為例，−NH₂ 是強活化、鄰對位定位基，直接硝化時既易被硝酸氧化、又易多硝化，主產物不可用；先乙酰化成 −NHCOCH₃，活化程度被調低、仍保持對位優先，硝化後水解脫保護即可。順序也關鍵：若先把 −CH₃ 氧化成 −COOH，−COOH 是間位定位，再硝化就得不到對位產物。

總產率是各步產率連乘（不是相加、更不是取平均）：Y＝∏y_i；再由 n(產物)＝n(投料)×Y 與 m＝nM 做物料衡算。下面路線、試劑、產率與質量均為自編示意數據，不代表任何真實合成路線、條件或實驗結果。

二、逐題精講

題1

題1 保護基、定位與總產率（解答題）

自編路線（四步，示意）：
苯胺 —① 乙酰化→ 乙酰苯胺（y₁＝92.0%）—② 硝化→ 對硝基乙酰苯胺（y₂＝80.0%）—③ 水解→ 對硝基苯胺（y₃＝95.0%）—④ 重結晶精製→ 成品（y₄＝90.0%）。
投料苯胺 9.30 g，M(苯胺)＝93.13 g/mol；目標產物 M(對硝基苯胺)＝138.12 g/mol。
(1) 說明為什麼必須先乙酰化；若跳過①直接硝化，會出哪兩類問題？(2) 求總產率 Y 與理論產量、實際產量；(3) 若把④的精製提前到②之前（即先精製乙酰苯胺再硝化），總產率與投料衡算要怎麼改？說明「順序改變」為什麼不只是換個先後。

解析

(2) 總產率連乘：
Y ＝ 0.920 × 0.800 × 0.950 × 0.900。
0.920×0.800＝0.736；0.736×0.950＝0.6992；0.6992×0.900＝0.62928 ≈ 62.93%。
（注意：前三步到對硝基苯胺的累計為 0.6992＝69.92%，加上第④步精製才到 62.93%；兩個口徑要分清，別把 69.92% 當最終收率。）
投料：n(苯胺)＝9.30/93.13＝0.09986 mol ≈ 0.1000 mol（按題設取 0.1000 mol 作示意）。
理論產量（Y＝1）＝ 0.1000×138.12 ＝ 13.812 g。
實際產量＝ 13.812 × 0.62928 ＝ 8.6917 g ≈ 8.692 g。
分步物料回驗：① 0.1000×0.920＝0.09200 mol；② ×0.800＝0.07360 mol；③ ×0.950＝0.06992 mol（對應 0.06992×138.12＝9.657 g，即前三步的粗品）；④ ×0.900＝0.062928 mol，×138.12＝8.6917 g ✓。三路閉合：連乘、分步摩爾數、質量換算。
（若只算到③，則是 9.657 g／69.92%；兩個答案各自對應不同終點，報數必須寫明算到第幾步。）

(3) 若把④「重結晶精製」提前到②之前：總產率數值上仍是四個 0.9 類因子的連乘嗎？不一定——因為精製對象變了：原④精製的是對硝基苯胺（分子量 138.12），提前後精製的是乙酰苯胺（示意 M＝135.17 g/mol），物質的量基準與損失所對應的化合物都變了；且精製放在硝化之前，後續②③產生的雜質不再被這一步除去，成品純度口徑也隨之改變。
因此要改兩處：① 分步物料表按新順序重列（苯胺→乙酰苯胺→精製→硝化→水解），每一步的 mol 與質量按各自的 M 算，不能把 0.900 原封不動挪到前面就當等價；② 總產率與「成品」的定義要重新聲明——若仍需同等純度，往往要在末端補一次精製（那就變成五步、五個因子連乘），否則 62.93% 這個數不再對應同一個終點。
為什麼不只是換個先後：多步合成的每一步都作用在特定中間體上，產率因子是「該步對該中間體」的收率；移動步驟，底物、分子量、雜質譜、最終純度口徑全跟著變。這與 00354 所講「鏈節式量與脫水數口徑」、00108 所講「產率/純度物料守恆」同理：連乘的前提是各步共享同一條物料鏈，鏈一改，賬要重算。

答案　(1) −NH₂ 強活化易被氧化、易多硝化且對位選擇性差；乙酰化降活化、抗氧化並由位阻保對位，硝化後水解脫保護；跳過①則主產物不可用，路線按 Y≈0 對照。(2) 前三步 Y₃=0.6992(69.92%)，四步總 Y=0.62928(62.93%)；投料≈0.1000 mol，理論 13.812 g，實際 8.692 g；分步 0.09200→0.07360→0.06992→0.062928 mol 閉合，前三步粗品 9.657 g。(3) 提前後精製對象與分子量改變、末端雜質不再被除去，須按新順序重列分步物料表並重新聲明「成品」口徑（常需末端補精製變五步），62.93% 不再對應同一終點。

採分點　指出 −NH₂ 強活化易氧化 1 分；指出多硝化/鄰位混雜 1 分；說明乙酰化降活化、位阻保對位、可水解脫保護 1 分；跳過①按 Y≈0 對照 1 分；前三步 0.6992 1 分；四步 0.62928 1 分；投料 0.1000 mol 與理論 13.812 g 1 分；實際 8.692 g 1 分；分步摩爾數回驗 1 分；(3) 指出精製對象與 M 改變、末端雜質未除 1 分；說明須重列物料表與重聲明終點口徑 1 分。

易錯點　把四步產率相加或取平均；把 69.92% 當最終收率；把 9.657 g 當成品質量；跳過①仍照算 62.93%；把精製提前後直接把 0.900 挪前當等價；漏寫「算到第幾步」的口徑；把各中間體都用 138.12 換算。

題2

題2 步驟順序與定位效應、路線改寫（解答題）

(1) 若把路線改成「先氧化後硝化」（示意：先把某個側鏈氧化成 −COOH，再硝化），定位效應會怎麼變？對位產物還能得到嗎？(2) 若目標改為間位硝基產物，順序該怎麼排？給出一條自編示意路線並說明每一步的定位依據；(3) 用三組數字回驗總產率連乘不是相加：分別計算「0.92+0.80+0.95+0.90」「四數平均」「連乘」，並說明為什麼只有連乘能與物料衡算閉合。

解析

(2) 要間位產物，就應讓間位定位基先在位。自編示意路線：
苯胺 → ① 先把側鏈/氨基轉化為間位定位基（示意：氧化成 −COOH 或先做成 −NO₂）→ ② 硝化 → ③ 再按需還原/水解恢復目標官能團。
具體可寫（均為示意，非真實條件）：甲苯 → 氧化成苯甲酸（−COOH，間位定位且鈍化）→ 硝化得間硝基苯甲酸 → 若目標需 −NH₂，再把羧基經酰胺/降解等步驟轉換（示意）。
定位依據逐條：① −COOH 吸電子，間位定位；② 硝化時環已鈍化，主要得間位，且不會多硝化；③ 後處理只改官能團、不再改動環上取代位置。
必須寫明的邊界：這條是為講定位效應而設的示意路線，步驟③的官能團轉換在真實合成中要另查條件與兼容性；本文不聲稱它是一條可操作的工藝，也不與任何真實合成路線比對。

(3) 三種算法對照：
相加：0.92＋0.80＋0.95＋0.90 ＝ 3.57（>1，產率不可能大於 1，第一眼就該排除）；
平均：(0.92＋0.80＋0.95＋0.90)/4 ＝ 3.57/4 ＝ 0.8925＝89.25%；
連乘：0.92×0.80×0.95×0.90 ＝ 0.62928＝62.93%。
平均比連乘高出 26.32 個百分點，差得很遠。
為什麼只有連乘能與物料衡算閉合：每一步的損失都作用在「上一步實際剩下的物料」上，是條件概率式的逐層折減：n₁＝n₀y₁，n₂＝n₁y₂＝n₀y₁y₂，…，n₄＝n₀∏y_i。分步摩爾數 0.1000→0.09200→0.07360→0.06992→0.062928 正是這樣一步步乘出來的；若用 0.8925，則 n₄ 應為 0.08925 mol、質量 12.33 g，與任何一步的分步賬都對不上。相加得 3.57 更連量綱（產率無量綱且 ≤1）都不滿足。判據：產率是每一步對現有物料的保留比例，不是可加的「貢獻分」，也不是可平均的「表現分」；只有連乘才與「分步 mol 數 × 各步 M」的物料鏈閉合。這與 00108 所講產率/純度、00354 所講脫水數口徑同理：先把賬的對象定清楚，再選運算。

答案　(1) −COOH 為吸電子間位定位且鈍化環，先氧化後硝化主要得間位、得不到對位產物。(2) 讓間位定位基先在位：示意路線「甲苯→氧化成苯甲酸→硝化得間硝基苯甲酸→按需轉換官能團」，後處理不改環上位置；註明為講定位效應的示意路線、不聲稱可操作工藝。(3) 相加 3.57（>1 即排除）、平均 0.8925(89.25%)、連乘 0.62928(62.93%)；只有連乘對應逐層折減 n₄=n₀∏y_i，與分步摩爾數 0.1000→0.062928 及質量賬閉合。

採分點　指出 −COOH 為間位定位且鈍化 1 分；說明得不到對位產物 1 分；說明「先裝哪個定位基決定落點」1 分；(2) 給出讓間位基先在位的示意路線 1 分；逐步給定位依據 1 分；註明後處理不改環上位置 1 分；註明為示意路線不聲稱可操作工藝 1 分；(3) 相加 3.57 並指出 >1 不成立 1 分；平均 89.25% 1 分；連乘 62.93% 1 分；用 n₄=n₀∏y_i 與分步摩爾數說明閉合 1 分。

易錯點　把 −COOH 當成鄰對位定位基；把硝化安排在氧化之後仍說「對位優先」；把示意路線當成真實可操作工藝並補具體條件；把總產率相加或取平均；用平均 89.25% 去算成品質量；漏掉「算到第幾步/哪個終點」的口徑說明。

三、規律小結與對照表

有機合成路線這條線，落點是「順序即設計，連乘即賬本」：−NH₂ 強活化易氧化、易多硝化，先乙酰化保護把活化調到中等並靠位阻保對位，硝化後水解脫保護；一旦先氧化成 −COOH，定位反轉為間位、對位產物就沒了。總產率是各步對現有物料的保留比例連乘（本例四步 0.62928），相加得 3.57、平均得 89.25% 都與分步物料賬對不上；而且報數必須寫明算到第幾步（前三步 69.92%／9.657 g，四步 62.93%／8.692 g）。移動任何一步，底物、分子量、雜質譜與「成品」口徑全跟著變，賬要重算。本文所有試劑、產率、質量與摩爾質量均為自編示意數據，不代表任何真實合成路線、反應條件或實驗結果。

四、自測清單

• □ 先看有沒有需要保護的強活化/易氧化基團；
• □ 用定位效應判「先裝哪個基」決定後來基團落點；
• □ 每步產率寫清是「對哪一步中間體」的收率；
• □ 總產率連乘，絕不相加或取平均；
• □ 報數標明算到第幾步、對應哪個終點與分子量；
• □ 分步列出 mol 數，與連乘結果互相回驗；
• □ 移動步驟後重列物料表，不把因子原樣挪前；
• □ 示意路線註明「不聲稱可操作工藝」。