有機合成化學(xué)第一章緒論.ppt

1、有機合成化學(xué),2013年3月,北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2010級應(yīng)用化學(xué)專業(yè)制藥方向,第一章 緒論,內(nèi)容提要,1.現(xiàn)代有機合成化學(xué)的定義 2.現(xiàn)代有機合成化學(xué)的任務(wù) 3.有機合成反應(yīng)與方法學(xué) 4.有機合成反應(yīng)的速率控制與平衡控制 5.有機合成反應(yīng)的選擇性 6.現(xiàn)代有機合成化學(xué)的研究方法,石器時代,合成塑料,聚四氟乙烯“塑料王”,合成纖維,合成橡膠與天然橡膠相比，具有高彈性，絕緣性、耐油和耐高溫等性能，因而廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、國防、交通及日常生活中。,合成橡膠的用途,功能性材料,石器時代,世界上每年合成的近百萬個新化合物中約70%以上是有機化合物。,用化學(xué)方法人工合成物質(zhì),復(fù)寫自然物質(zhì),用化學(xué)方法人

2、工合成物質(zhì),修飾自然物質(zhì),晶體,阿司匹林:第一種重要的人工合成藥物,用化學(xué)方法人工合成物質(zhì),創(chuàng)造新物質(zhì)，如尼龍、滌綸、炸藥、醫(yī)藥等等,合成材料顯神威 神九飛天,青霉素的發(fā)現(xiàn)者英國細菌學(xué)家弗萊明,人類治療細菌性感染的第一武器青霉素,最偉大的三項發(fā)明青霉素、原子彈、雷達,人類治療細菌性感染的第一武器青霉素,最偉大的三項發(fā)明青霉素、原子彈、雷達,青霉素的提取者澳大利亞病理學(xué)家弗洛里 英國化學(xué)家錢恩,1945年的諾貝爾生理和醫(yī)學(xué)獎,1949年以前，“價比黃金”， 0.12 g 青霉素相當(dāng)于,1963年，降為,0.9 g 黃金,0.22元,白求恩,青霉素的結(jié)構(gòu)通式,1.1 現(xiàn)代有機合成化學(xué)的定義,起源：

3、1828年德國化學(xué)家魏勒（Whler）:氰酸銨合成尿素。 有機合成組合：所謂有機合成組合就是利用幾步或多步過程完成某一指定的有理論或?qū)嵱脙r值的有機化合物。,利用簡單、易得的原料，通過有機反應(yīng)，生成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的有機化合物。,有機合成的概念,原料通常來源于石油和煤的加工產(chǎn)品等,乙二醇,乙二醇60%的水溶液的凝固點為-40，所以可用作冬季汽車散熱器的防凍劑。,用途廣泛，可用來合成“滌綸”（的確良）等高分子化合物，還可用作薄膜、橡膠、增塑劑、干燥劑、剎車油等原料，又是常用的高沸點溶劑。,乙二醇經(jīng)加熱后產(chǎn)生的蒸氣可用作舞臺煙幕，乙二醇的硝酸酯是一種炸藥。,有機合成 貢獻卓越：人類物質(zhì)文明進步與生

4、活水平提高。 問題突出：可持續(xù)發(fā)展、低碳經(jīng)濟 。 1991年，Trost提出原子經(jīng)濟學(xué)說（atom economy）: 反應(yīng)物的原子數(shù)目最大地進入產(chǎn)物. 例如：, 1996年，美國斯坦福大學(xué)Wender教授對現(xiàn)代合成提出了完整定義：一種理想的(最終是實效的)合成是指用簡單的、安全的、環(huán)境友好的、資源有效的操作，快速定量地把價廉、易得的起始原料轉(zhuǎn)化為天然或設(shè)計的目標分子 。,Nobel Prizes,科學(xué)研究至高無上的榮譽。自1901年開始至2012年 應(yīng)有112屆，其中8屆未公布，即有104屆，其中58屆與 有機化學(xué)有關(guān)：,與有機化學(xué)有關(guān)的Nobel獎,與有機合成有關(guān)：31項,1.2 現(xiàn)代有機

5、合成化學(xué)的任務(wù),為科技發(fā)展、社會進步、改善人們物質(zhì)文明生活提供具有各種性能的分子，并建立有效的生產(chǎn)方法。, 1917年， 英 R. Robinson仿生合成托品酮：,將化學(xué)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)性、反應(yīng)過程以合成方法學(xué)的觀點聯(lián)系起來，使有機合成化學(xué)第一次作為一門課程開設(shè)出來。,六硝基六氮雜異伍慈烷（ HNIW）的結(jié)構(gòu)及其反應(yīng), 1953年美國 M. Gates人工合成了嗎啡：,Morphine 嗎啡,1805 年從鴉片中提取的生物堿 1925 年確定結(jié)構(gòu), 1987年由美國Nielsen首次合成了當(dāng)今密度和能量水平最高的高能量密度化合物，被譽為明天的高能炸藥。,有機合成化學(xué)要為理論工作提供具有多種特殊性能

6、的分子，以驗證和發(fā)現(xiàn)新的理論。,20 世紀下半葉, 美 R. B . Woodward （1917-1979）向最復(fù)雜的天然產(chǎn)物挑戰(zhàn)：,奎寧（1944年） 可的松（1951） 馬錢子堿（1954） 利血平 （1958） 葉綠素（1960） 四環(huán)素（1962） 頭孢菌素C（1965） 前列腺素F2（1973） 維生素B12 （1973） 紅霉素（1981）,. 1948年從動物肝臟中提取出 . 1954年用X-ray確定結(jié)構(gòu) . Woodward 1965年提出二茂鐵夾心結(jié)構(gòu)，獲得Nobel 化學(xué)獎。 . 1973年人工合成（14個國家的110名科學(xué)家；共51步）,Pure Appl. Chem

7、. 1973, 33, 145.,. 合成 結(jié)構(gòu) 性質(zhì) 理論 . 合成VB12時，嫻熟合成技術(shù)，并 指導(dǎo)助手Hofmann研究周環(huán)反應(yīng)時 提出分子軌道對稱守恒原理，1981 年，Hofmann 和福井謙一因此獲 得Nobel 化學(xué)獎.,維生素B12（R=CN）, 1981年在 Woodward領(lǐng)導(dǎo)下,紅霉素合成成功：,J. Am. Chem. Soc. ,1981, 103, 3210.,18個手性中心,理論上有242144個異構(gòu)體,erythromycin, 1961年開始，E. J. Corey系統(tǒng)建立了逆合成分析方法（Retrosynthetic analysis）：自目標結(jié)構(gòu)開始采用系

8、列邏輯推理，設(shè)計出起始原料及合成路線，同時發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)與方法。,赤霉酸 白果苦內(nèi)酯 前列腺素,因此，Corey獲得1990年Nobel 化學(xué)獎。,Corey領(lǐng)導(dǎo)的研究組借此完成了100多種復(fù)雜分子的多步驟合成：,Corey的逆合成分析法幫助其他科學(xué)家完成了許多復(fù)雜分子的多步驟合成。,化學(xué)家Corey,化學(xué)家Woodward,當(dāng)今最難的合成 ?？舅兀≒alytoxin）,C 115， C* 64， 7個骨架內(nèi)雙鍵，異構(gòu)體數(shù) 2 7121021 最毒物質(zhì) LD50= 25ng/kg 哈佛大學(xué)Kishi 1989年合成成功;24個研究生和博士后歷時8年。 “有機合成的珠穆朗瑪峰” -20世紀有機合

9、成化學(xué)的標志。,J. Am. Chem. Soc.1989, 111, 7530-7533., 1945-1955 年 ， 英 F. Sanger 測定出牛胰島素的結(jié)構(gòu)(氨基酸排列次序). 1958-1965,9月， 汪猷、邢其毅合作，經(jīng)7年努力,于1965年9月合成成功。 1970-1981年， 王德寶，汪猷 1981年11月合成了第一個具有完整生理活性 的酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸。,我國的重大合成成就-牛胰島素的合成,結(jié)晶牛胰島素,非天然產(chǎn)物的合成-有獨特結(jié)構(gòu)興趣,富勒烯C60:碳的新同素異形體；親雙烯試劑；親偶極試劑；自由基儲存體。,促進有機合成化學(xué)與生命科學(xué)、材料科學(xué)的交叉結(jié)合與相互滲透

10、，滿足社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。,（1）與生命科學(xué)結(jié)合的有機合成化學(xué),有機合成選擇生命科學(xué)中的重要物質(zhì)做合成對象 以生物方法用于有機合成 模擬生命過程和生命體系的合成,（2）與材料科學(xué)結(jié)合的有機合成化學(xué),新型導(dǎo)電材料的合成：有機導(dǎo)體、有機磁性材料 新型光學(xué)材料的合成：非線性光學(xué)材料、液晶和 有機電致發(fā)光材料 生物醫(yī)學(xué)材料的合成,適應(yīng)人類社會可持續(xù)性發(fā)展的要求，創(chuàng)造與人類健康、自然生態(tài)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的低碳經(jīng)濟發(fā)展模式。,1.3 有機合成反應(yīng)和方法學(xué), 各種各樣的基元合成反應(yīng)是現(xiàn)代有機合成的基礎(chǔ)。,大量合成新試劑的出現(xiàn)是合成反應(yīng)方法學(xué)的一個重大進展，特別是元素有機和金屬有機試劑及催化劑。 尋找高選擇性試

11、劑和反應(yīng)已成為有機合成化學(xué)中最主要的研究課題之一，其中包括化學(xué)和區(qū)域選擇性控制、立體選擇性控制等。 不對稱合成是近年來發(fā)展較快的領(lǐng)域，而不對稱催化反應(yīng)，在不對稱合成中占有突出的位置。 天然或設(shè)計的復(fù)雜有機分子的全合成體現(xiàn)現(xiàn)代合成化學(xué)的水平，同時推動新試劑、新反應(yīng)、新方法的發(fā)現(xiàn)和學(xué)科的交叉結(jié)合發(fā)展。,光化學(xué)反應(yīng)(光誘導(dǎo)反應(yīng))能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)、區(qū)域和立體控制，光化學(xué)機理研究和合成應(yīng)用成為研究熱點。 電合成化學(xué)在基礎(chǔ)研究和精細化工合成方面展現(xiàn)良好的發(fā)展前景。 無溶劑合成反應(yīng)較溶液反應(yīng)有更高的反應(yīng)效率，節(jié)能、污染少、反應(yīng)選擇性高。 固相有機合成廣泛用于多肽、寡聚核苷酸和蛋白質(zhì)、酶等化學(xué)合成。包括一些試劑、

12、保護基團的固相化。方法簡單、快速。 相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)近二十年來得到了迅猛發(fā)展。 微波技術(shù)、超高壓技術(shù)和聲化學(xué)合成法也都是值得注意的合成反應(yīng)的研究方法。,新的前沿學(xué)科超分子化學(xué)逐步形成。 鑒于許多生物過程是通過天然有機和高分子化合物的分子間力的作用而有序組合來完成的。合成化學(xué)的一個趨勢是將研究重心從分子中化學(xué)鍵的斷裂與重組向分子間相互作用締合成有序結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生特定功能的方向轉(zhuǎn)移。,大環(huán)化學(xué)（冠醚、穴醚、環(huán)糊精、杯芳烴、碳60等） 分子識別與分子自組裝（雙分子膜、膠束、DNA雙螺旋等） 分子器件和新興有機材料,1.4 有機合成反應(yīng)中的重要問題,1.4.1 有機合成反應(yīng)的速率控制和平衡控制,低溫時，

13、反應(yīng)為速率控制或動力學(xué)控制：1,2-加成速率快； 高溫時，反應(yīng)為平衡控制或熱力學(xué)控制，1,4-加成產(chǎn)物更穩(wěn)定。,低溫時，反應(yīng)為速率控制或動力學(xué)控制：位取代速率快； 高溫時，反應(yīng)為平衡控制或熱力學(xué)控制，位取代產(chǎn)物更穩(wěn)定。,1.4.2 有機合成反應(yīng)的選擇性,化學(xué)選擇：分子中的官能團，不需要加以保護和特殊的活化，某一官能團本身就有選擇性的反應(yīng)。,選擇性氧化,選擇性還原, 位置選擇：位置選擇是指在反應(yīng)中，反應(yīng)試劑定向地進攻反應(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。,Markovnikov規(guī)則,位置選擇：-H的溴代反應(yīng),立體選擇反應(yīng)：凡是在一個反應(yīng)中，一個立體異構(gòu)體的產(chǎn)生超過或是大大超過另外其他可能的立體異構(gòu)體，就叫做立體選擇反應(yīng)。這種反應(yīng)常與作用物的位阻，過渡狀態(tài)的立體化學(xué)要求以及反應(yīng)條件有關(guān)。,不對稱醛與甲基碘化鎂的加成，空間位阻小的產(chǎn)物占優(yōu)勢：,1. 5 現(xiàn)代有機合成化學(xué)的研究方法,單元合成反應(yīng)是現(xiàn)代有機合成化學(xué)的基礎(chǔ)。目前研究比較透徹的單元反應(yīng)有1000多個，其中廣泛應(yīng)用的有200多