精細(xì)有機(jī)合成與設(shè)計(jì)

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精細(xì)有機(jī)合成與設(shè)計(jì),二0一五 春,第一章 緒 論,合成化學(xué)，是化學(xué)最中心的研究與生產(chǎn)任務(wù)之一，是新中間體、新藥、新材料、新催化劑等最主要的來源，是化學(xué)學(xué)科中最活躍、最具創(chuàng)造性的領(lǐng)域，也是整個(gè)科學(xué)界最活躍的方向?，F(xiàn)在，全世界化學(xué)工作者每年合成近百萬種新化合物。 ? 合成化學(xué)可分為無機(jī)合成與有機(jī)合成。迄今人類已知的近2500萬種物質(zhì)中，絕大多數(shù)為有機(jī)化合物（約90%以上），90%以上由人工合成。所以，有機(jī)合成理所當(dāng)然地成為合成化學(xué)最主要的內(nèi)容。,1.1.1有機(jī)合成的定義,有機(jī)合成：是指利用化學(xué)方法將單質(zhì)、簡(jiǎn)單的無機(jī)物或簡(jiǎn)單的有機(jī)物制備成較復(fù)雜的有機(jī)物的過程。（簡(jiǎn)之：有機(jī)反應(yīng)的組合）,1.1有機(jī)合成的目的和任務(wù),1、具有生理活性天然產(chǎn)物的分離、結(jié)構(gòu)測(cè)定及應(yīng)用研究； 2、研究反應(yīng)機(jī)理為重點(diǎn)的物理有機(jī)化學(xué)； 3、有機(jī)合成：一個(gè)具有創(chuàng)造性的領(lǐng)域，不僅能合成天然界供給不足的有機(jī)化合物，而且能合成天然界不存在的、新的有意義的有機(jī)化合物。,有機(jī)化學(xué)的發(fā)展三個(gè)階段：,1.1.2 基本有機(jī)合成和精細(xì)有機(jī)合成,基本有機(jī)合成,從價(jià)廉易得的天然資源,如煤、石油、天然氣或農(nóng)副產(chǎn)品等初步加工成一級(jí)有機(jī)產(chǎn)品如烷、烯、炔、苯、萘等。再進(jìn)一步加工成二級(jí)有機(jī)產(chǎn)品，如乙醇、乙酸等。,精細(xì)有機(jī)合成,以基本有機(jī)合成得到的一、二級(jí)有機(jī)產(chǎn)品為原料，合成一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、質(zhì)量要求高的化合物。其過程操作條件要求嚴(yán)格，步驟比較繁多。其主要應(yīng)用在藥物、農(nóng)藥、染料、香料的合成。,1.2有機(jī)合成的發(fā)展,1828年 ，Woher由異氰酸銨（無機(jī)物）合成尿素（有機(jī)物），拉開了有機(jī)合成的序幕，同時(shí)也使有機(jī)化學(xué)真正成為化學(xué)學(xué)科主要的分支之一。,階段一 有機(jī)化學(xué)的開始,1845年 H. Kolbe 實(shí)現(xiàn)了從元素單質(zhì)合成乙酸，并第一次用到“合成”這個(gè)詞來描述從其他物質(zhì)制取化合物的過程。,1856年，英國(guó)化學(xué)家W. H. Perkin首次試圖合成復(fù)雜的天然產(chǎn)物奎寧(治療瘧疾的藥物),然而在嘗試合成奎寧的過程中， Perkin得到了第一個(gè)人工染料--苯胺紫，從而開創(chuàng)了合成染料的新時(shí)代。,階段二 初期階段的復(fù)雜天然產(chǎn)物的全合成,E. Fischer完成的(+)-葡萄糖的合成,獲得1902年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),1902年，德國(guó)化學(xué)家 Willstatter 合成了托品酮（1915年noble獎(jiǎng)）,21 steps, overall yield 0.75%,1917年，英國(guó)化學(xué)家 Robinson用新的方法合成了托品酮,overall yield 90%,Robinson為什么能發(fā)現(xiàn)這條合成路線？,Mannich Reaction (1912),Robinson將化學(xué)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)性、反應(yīng)過程以合成方法學(xué)的觀點(diǎn)聯(lián)系起來，使有機(jī)合成第一次作為一門課程開設(shè)出來。,由于在生物堿合成等方面所取得的突出成就，他于1947年獲Noble 化學(xué)獎(jiǎng)。,recently，Nicolaou通過“一鍋法”反應(yīng)合成了托品酮,yield 80%,階段三 二戰(zhàn)后的快速發(fā)展,20 世紀(jì)下半葉, 以美國(guó)的 R. B . Woodward （1917-1979）為代表的有機(jī)合成化學(xué)家向最復(fù)雜的天然產(chǎn)物發(fā)起挑戰(zhàn)，并取得了卓越的成就。Woodward因在天然產(chǎn)物合成方面的突出成就而獲得了1965年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,維生素B12 的合成 （Woodward, 1977年）,因在1945-1954年人工合成了奎寧、類固醇、馬錢子堿、羊毛甾醇、麥角堿等近20種復(fù)雜天然產(chǎn)物而1965 年獲Noble 化學(xué)獎(jiǎng),在Woodward及Eschenmoser 領(lǐng)導(dǎo)下, 經(jīng)過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室，100多位科學(xué)家的共同努力，歷經(jīng)8年，于1977年完成了維生素B12的全合成工作。合成步驟達(dá)51步。 將有機(jī)合成作為一種藝術(shù)展現(xiàn)在世人面前。,維生素B12,Woodward領(lǐng)導(dǎo)下另一代表性工作: 紅霉素的合成,18個(gè)手性中心,理論上有242144個(gè)異構(gòu)體,1990年，E.J.Corey 在有機(jī)合成理論與方法上的杰出成就而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。于此，理論與實(shí)踐的高度統(tǒng)一顯示出：有機(jī)合成化學(xué)已經(jīng)從科學(xué)進(jìn)入到了科學(xué)-藝術(shù)的殿堂。,1、系統(tǒng)建立了逆合成分析方法（Retrosynthetic analysis）,2、 在全合成中設(shè)計(jì)以及發(fā)展新的合成試劑與方 法方面作出了杰出的貢獻(xiàn),E.J.Corey (1928-),Selected Synthesis by the Corey Group,如果說Woodward 一生奮斗的成就是將有機(jī)合 成作為一種藝術(shù)展現(xiàn)在世人面前，那么Corey 則是 將有機(jī)合成從藝術(shù)轉(zhuǎn)變成為科學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵人物。 他的逆合成分析是現(xiàn)代有機(jī)合成化學(xué)的重要基石， 推動(dòng)了20世紀(jì)70年代以來整個(gè)有機(jī)合成領(lǐng)域的蓬勃 發(fā)展。,哈佛大學(xué)Kishi 小組于1989年合成成功 “有機(jī)合成的珠穆朗瑪峰” --------20世紀(jì)有機(jī)合成工作的標(biāo)志,分子式：C129H223N3O54，分子量2680，64個(gè)手性中心,K. C. Nicolaou & S. L. Schreiber（1994） 紫杉醇（Taxol)的全合成,美國(guó)的“國(guó)家癌癥研究中心”從天然植物紅豆杉的樹皮中萃取出紫杉醇(Taxol) ，發(fā)現(xiàn)它具有抗癌的效果，尤其對(duì)晚期、轉(zhuǎn)移性卵巢癌、乳腺癌、肺癌有十分顯著的療效。使得紅豆杉被預(yù)言為[二十世紀(jì)對(duì)人類貢獻(xiàn)最大的植物]。,經(jīng)過 28 個(gè)步驟，產(chǎn)率 0.5％,經(jīng)過多方尋覓，最后發(fā)現(xiàn)紅豆杉的萃取物中含有濃度很高的紫杉醇主要結(jié)構(gòu)baccatin，這種成分在少數(shù)紅豆杉品種的枝葉中濃度是紫杉醇的近十倍。利用 baccatin作為合成的起始物，需大約 10 個(gè)步驟就可合成紫杉醇，并且收率大大提高。,1.3有機(jī)合成的現(xiàn)代成就,以研究清楚的有機(jī)反應(yīng)3000多個(gè)，其中有普遍應(yīng)用價(jià)值的200多個(gè),已經(jīng)商品化的試劑5萬多個(gè),具有產(chǎn)率高、反應(yīng)條件溫和、選擇性和立體定向性好的新反應(yīng)大量出現(xiàn)，如光反應(yīng)、微生物反應(yīng)、模擬酶反應(yīng),新試劑、新型催化劑的開發(fā)和應(yīng)用，如固相酶新技術(shù),有機(jī)合成方法的進(jìn)步，如一鍋法反應(yīng)，組合化學(xué)和多樣性導(dǎo)向合成,1.4 有機(jī)合成反映的發(fā)展趨勢(shì),1.4.1 有機(jī)合成發(fā)展的客觀條件和改進(jìn)方向,有機(jī)合成已建立在堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)上，能夠深度研究反應(yīng)歷程和本質(zhì)，從而對(duì)控制反應(yīng)的速度、方向，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組成有更多的主導(dǎo)權(quán)。,新型的合成方法取得進(jìn)展和突破，從而為合成方法帶來更大的變革。,近代物理測(cè)試手段有力促進(jìn)了有機(jī)合成的發(fā)展。,人工智能的使用加快了合成路線的設(shè)計(jì)速度,1.4.2 有機(jī)合成與生命科學(xué)與材料科學(xué)聯(lián)系越來越緊密,1.4.3 與環(huán)境科學(xué)密切相關(guān)的有機(jī)合成化學(xué),簡(jiǎn)化反應(yīng)步驟，減少污染排放，開發(fā)新的合成工藝,新的或非傳統(tǒng)的“潔凈”反應(yīng)介質(zhì)的開發(fā)利用,生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)具有高效，高選擇性和清潔反應(yīng)的特點(diǎn)，非常符合綠色化學(xué)的要求,1.5 有機(jī)合成反應(yīng)和方法學(xué),有機(jī)合成的三大要素： 有機(jī)合成基元反應(yīng) 有機(jī)合成方法與技術(shù) 有機(jī)合成設(shè)計(jì)策略,,,碳碳鍵的形成、斷裂和重組,,,,有機(jī)合成反應(yīng),官能團(tuán)的引入和轉(zhuǎn)換,,,有機(jī)合成 新試劑,,,,有機(jī)合成 方法學(xué),有機(jī)合成新技術(shù),,,,,,有機(jī)合成 路線設(shè)計(jì),,,,,逆合成分析法,分子簡(jiǎn)化法,官能團(tuán)置換或消去法,分子拆解法,F. A. Carey 著，王積濤譯，高等有機(jī)化學(xué)， B. 反應(yīng)與 合成，高等教育出版社，1986。 巨勇，有機(jī)合成化學(xué)與路線設(shè)計(jì)，清華大學(xué)出版社（第二版），2007。 吳毓林，姚祝軍，現(xiàn)代有機(jī)合成化學(xué)，科學(xué)出版社，2001。 W. Carruthers 著，李潤(rùn)濤等譯，有機(jī)合成的一些新方法，河南大學(xué)出版社，1991。,參考書,第二章 有機(jī)合成與路線設(shè)計(jì)基礎(chǔ),２.1　有機(jī)合成的要點(diǎn),以周期表為依據(jù)　　　 以羰基化合物為中心　 鍵結(jié)（bonding）的方式和鍵的極性　　　 對(duì)等性（Equivalent）　　 氧化態(tài) 反應(yīng)的種類,以周期表為依據(jù)　　　 雖然古老的說法認(rèn)為有機(jī)化學(xué)只是Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ和鹵素的化學(xué)，但現(xiàn)代有機(jī)合成化學(xué)已經(jīng)擴(kuò)充到周期表中各種元素，進(jìn)行各種類型的反應(yīng)。 如硼、硅、磷、硫、砷等元素參與的為中心的元素有機(jī)化學(xué)； 鹵代烷中的氟代物，無論是單氟代，還是多氟代都有特殊的性質(zhì)，就形成了有機(jī)氟化學(xué)。 有機(jī)金屬化學(xué)（尤其是過渡金屬的有機(jī)分子絡(luò)合物）的興起，不僅在有機(jī)化學(xué)和有機(jī)合成化學(xué)方面做出了很大的貢獻(xiàn)，而且在無機(jī)與有機(jī)之間構(gòu)筑了一座廣寬的橋梁。 就涉及元素的種類來說，有機(jī)化學(xué)和無機(jī)化學(xué)已逐步接近。,以羰基化合物為中心: 在眾多有機(jī)基團(tuán)中，羰基是一種很活潑的基團(tuán)。很多有機(jī)反應(yīng)都涉及這種基團(tuán)。 如：醛、酮分子之間的羥醛縮合反應(yīng)，醛被氧化成羧酸衍生物的反應(yīng)，醛、酮還原成醇的反應(yīng)，醛、酮轉(zhuǎn)化為含氮化合物的反應(yīng)等。 此類反應(yīng)在有機(jī)合成中居于樞紐地位。,鍵結(jié)（bonding）的方式和鍵的極性　 基本的鍵結(jié)（也可叫鍵聯(lián)）方式有兩類：碳與碳相結(jié)和碳與非碳原子相結(jié)（即與官能團(tuán)相結(jié)）。 有機(jī)合成化學(xué)中的最根本課題：碳骨架的建立和碳與官能團(tuán)的結(jié)合。 有機(jī)合成中考慮鍵結(jié)時(shí)，應(yīng)以邏輯式逆推的方法：將鍵結(jié)拆開（disconnection of bonding）形成兩個(gè)極性部分，再在合成設(shè)計(jì)時(shí)將這兩個(gè)極性部分作為兩個(gè)反應(yīng)物經(jīng)合成反應(yīng)發(fā)生鍵結(jié)。 例如，要合成Ｃ－Ｎ的鍵結(jié)，就可考慮鍵結(jié)的極性是δ＋C－Ｎδ－（或是 Ｃ＋與Ｎ－）。前者可以是常見的鹵代烷，而后者可以是常見的胺類。鹵代烷與胺作用形成 Ｃ－Ｎ 鍵結(jié)。,對(duì)等性（Equivalent） 這是有機(jī)合成化學(xué)中常用的專用術(shù)語 　 　 氰醇類的碳負(fù)離子與碘甲烷作用后，水解得甲基酮類,合成子是指可用于有機(jī)反應(yīng)中的合成單位。(對(duì)等性),氧化態(tài) 氧化態(tài)的問題不僅在無機(jī)化學(xué)中很重要，在有機(jī)化學(xué)中同樣很重要。這涉及有機(jī)反應(yīng)中非常重要的氧化還原反應(yīng)。一般說，在有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中一個(gè)分子中某原子的絕對(duì)的氧化態(tài)并不特別重要，但作用過程中氧化態(tài)的變化，即相對(duì)的氧化態(tài)是很重要的。 碳原子在各種不同的狀態(tài)下，氧化態(tài)是不同的，是變化的。這是有機(jī)反應(yīng)本質(zhì)的問題。甲烷、乙烷、乙烯、乙炔中碳的氧化態(tài)是不同的。它們可用還原（氫化）聯(lián)系起來。,氧化態(tài) 含氧有機(jī)物中醇、醛、羧酸及其衍生物、碳酸及其衍生物中碳的氧化態(tài)也不相同。元素有機(jī)化合物的氧化態(tài)的不同更為明顯。 氮的氧化態(tài) 硫的氧化態(tài) 磷的氧化態(tài) 硅的氧化態(tài),反應(yīng)的種類: （i） 骨架和官能團(tuán)都無變化,反應(yīng)的種類: （ii） 骨架不變，僅官能團(tuán)變,反應(yīng)的種類: （iii） 骨架變化和官能團(tuán)不變化,反應(yīng)的種類: （iv） 骨架和官能團(tuán)都變化,反應(yīng)的種類: （iv） 骨架和官能團(tuán)都變化 分子內(nèi)消除,反應(yīng)的種類: （iv） 骨架和官能團(tuán)都變化 蓖麻酸的熱裂解（由大變?。?2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,要做好有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)，除了對(duì)有機(jī)合成技術(shù)要熟練掌握以外，很重要的是要有科學(xué)的思維方法，即要有邏輯思維。這方面也有一些固定的原則和成熟的方法。,2.2.1 合成路線設(shè)計(jì)的原則與基本方法 （1）逆合成法（Retrosynthesis） 逆合成法是有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的最簡(jiǎn)單，最基本的方法。其他一些更復(fù)雜的設(shè)計(jì)方法都是建立在此方法的基礎(chǔ)上的，所以我們首先要掌握逆合成法（有時(shí)也叫做反合成法，antithetic synthesis）。整個(gè)思路也可稱為逆（反）合成分析。,2.2.1 合成路線設(shè)計(jì)的原則與基本方法 （1）逆合成法（Retrosynthesis） 合成是指從某些原料出發(fā)，經(jīng)過若干步反應(yīng)，最后合成出所需的產(chǎn)物。最后產(chǎn)物就是合成目標(biāo)物，或叫“目標(biāo)分子”（target molecule，TM）。實(shí)際上。進(jìn)行合成路線設(shè)計(jì)時(shí)是反其道而行之，即從目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)出發(fā)，逐步地考慮，先可由哪些中間體合成目標(biāo)物，再考慮由哪些原料合成中間體。最后的原料就是“起始物”（starting material，SM）。這種方法就是“逆合成”。,2.2.1 合成路線設(shè)計(jì)的原則與基本方法 （2） 分子簡(jiǎn)化法（Simplication）,2.2.1 合成路線設(shè)計(jì)的原則與基本方法 （2） 分子簡(jiǎn)化法（Simplication） 如一個(gè)分子有明顯的對(duì)稱性，在考慮它的合成法時(shí)就應(yīng)充分利用其對(duì)稱性來簡(jiǎn)化合成方法。,2.2.1 合成路線設(shè)計(jì)的原則與基本方法 （3） 官能團(tuán)的置換或消去,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,2.2.1 合成路線設(shè)計(jì)的原則與基本方法 （3） 官能團(tuán)的置換或消去,Michael Reaction,O,C,H,2,C,O,2,E,t,H,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,H,2,O,PhSeBr ;,,,,,,,,,,,,,O,C,H,2,C,O,2,E,t,H,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection） 前面已討論到目標(biāo)分子中的極性鍵可以進(jìn)行拆解（也叫拆開）成兩個(gè)極性分子。 實(shí)際上，這就是考慮逆合成方法時(shí)的主要思路之一。同一目標(biāo)物可以有幾種拆解的方法，就需要加以比較，確定應(yīng)采用何種合成方法。 在下例中，逆合成箭頭上標(biāo)志拆解處。 這里主要的是 ①合適的拆開部位； ②鍵極性的方向，就涉及試劑的選用,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection）,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection）,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection） （i） 會(huì)集法（Convergence）盡量將目標(biāo)分子拆解成兩大部分，再將這兩部分拆成次大部分。,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection） （i） 會(huì)集法（Convergence）對(duì)稱分子拆開相同部分，減少合成步驟。,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection） （ii） 在α-碳的位置上拆開,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection） （ii） 在α-碳的位置上拆開,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection） （iii） 在共同碳原子處拆開,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection） （iii） 在共同碳原子處拆開,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,（4） 拆解（Disconnection） （IV） 避免大環(huán)的合成 因?yàn)榘藛T以上大環(huán)的化合物不易獲得，而這方面的化學(xué)反應(yīng)也很少開發(fā)，所以解時(shí)應(yīng)盡量避免形成大環(huán)的合成基。 當(dāng)然，隨著大環(huán)化合物研究的進(jìn)展，這個(gè)原則將會(huì)逐漸被修飾。,2.2 有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)的基本方法,合成設(shè)計(jì)的實(shí)例,昆蟲激素Brevicomin逆合成分析,,,O,M,e,O,,,,,,,,,,,,,,,1,5,,,,,C,1,/,O,O,H,O,M,e,,,,,,,,,,,,,1,2,3,4,5,,,,,C,3,/,C,4,C,5,/,O,O,M,e,,,,,,,M,e,H,O,,,,,,,,,,,F,G,e,x,c,h,a,n,g,e,O,M,e,,,,,,,M,e,O,,,,,,,,合成設(shè)計(jì)的實(shí)例,昆蟲激素Brevicomin逆合成分析,2.3 有機(jī)合成反應(yīng)的選擇性,（一）按選擇方式大致分為三種:,1、化學(xué)選擇性（Chemoselectivity）,2、區(qū)域選擇性（Regioselectivity）,3、立體選擇性（Stereoselectivity）,1、化學(xué)選擇性（Chemoselectivity）,分子中的官能團(tuán)，不需要加以保護(hù)和特殊的活化，某一官能團(tuán)本身就有選擇性的反應(yīng)。,2、區(qū)域選擇性（Regioselectivity）,在反應(yīng)中，反應(yīng)試劑定向地進(jìn)攻反應(yīng)物的某一位置，或定向地發(fā)生在作用物的某一位置，而生成指定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。,沃爾－齊格勒 (W?hl-Ziegler) 反應(yīng),3、立體選擇性（stereoselectivity）,凡是在一個(gè)反應(yīng)中，一個(gè)立體異構(gòu)體的產(chǎn)量超過或是大大超過其他可能的立體異構(gòu)體，即為立體選擇性反應(yīng)。其與作用物的位阻、過渡狀態(tài)的立體化學(xué)要求以及反應(yīng)條件有關(guān)。,學(xué)習(xí)選擇性的目的就是要學(xué)會(huì)利用選擇性達(dá)到對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性合成。,