有机合成化学第一章绪论.ppt

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1、有机合成化学有机合成化学现代有机现代有机合成方法合成方法还原反应还原反应9.氧化反应氧化反应不对称合成不对称合成反应反应基团保护基团保护与反应性转换与反应性转换6.逆合成分析逆合成分析与路线设计与路线设计有机合成有机合成试剂试剂碱催化缩合碱催化缩合和烃基化和烃基化3.酸催化缩合酸催化缩合和分子重排和分子重排官能团化和官能团化和官能团转换官能团转换绪论绪论12.绿色化学绿色化学原理与方法原理与方法有机合成化学有机合成化学第一章第一章 绪论绪论内容提要1.现代有机合成化学的定义现代有机合成化学的定义2.现代有机合成化学的任务现代有机合成化学的任务3.有机合成反应与方法学有机合成反应与方法学4.有机

2、合成反应的速率控制与平衡控制有机合成反应的速率控制与平衡控制5.有机合成反应的选择性有机合成反应的选择性6.现代有机合成化学的研究方法现代有机合成化学的研究方法石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 钢铁时代钢铁时代 高分子时代高分子时代 合成塑料、合成合成塑料、合成纤维、合成橡胶、高分子膜合成橡胶、高分子膜聚四氟乙烯聚四氟乙烯“塑料王塑料王”合成橡胶与天然橡胶相比，具有高弹性，绝缘性、合成橡胶与天然橡胶相比，具有高弹性，绝缘性、耐油和耐高温等性能，因而广泛应用于工农业、国耐油和耐高温等性能，因而广泛应用于工农业、国防、交通及日常生活中。防、交通及日常生活中。防水透气材料防水

3、透气材料玻璃钢材料玻璃钢材料防臭鞋垫防臭鞋垫隐形眼镜隐形眼镜功能性材料功能性材料石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 钢铁时代钢铁时代 高分子时代高分子时代 合成塑料、合成合成塑料、合成纤维、合成橡胶、高分子膜合成橡胶、高分子膜有有 机机 合合 成成 世界上每年合成的近百万个新化世界上每年合成的近百万个新化合物中约合物中约70%70%以上是有机化合物。以上是有机化合物。用化学方法人工合成物质用化学方法人工合成物质复写自然物质复写自然物质用化学方法人工合成物质用化学方法人工合成物质修饰自然物质修饰自然物质晶体晶体晶体晶体阿司匹林阿司匹林:第一种重要的人工合成药物第一种重要的人

4、工合成药物用化学方法人工合成物质用化学方法人工合成物质创造新物质创造新物质，如尼龙、涤纶、炸药、医药等等，如尼龙、涤纶、炸药、医药等等合合成成材材料料显显神神威威神神九九飞飞天天青霉素的发现者青霉素的发现者青霉素的发现者青霉素的发现者英国细菌学家弗莱明英国细菌学家弗莱明英国细菌学家弗莱明英国细菌学家弗莱明人类治疗细菌性感染的第一武器人类治疗细菌性感染的第一武器青霉素青霉素最伟大的三项发明最伟大的三项发明青霉素、原子弹、雷达青霉素、原子弹、雷达人类治疗细菌性感染的第一武器人类治疗细菌性感染的第一武器青霉素青霉素最伟大的三项发明最伟大的三项发明青霉素、原子弹、雷达青霉素、原子弹、雷达青霉素的提取者

5、青霉素的提取者青霉素的提取者青霉素的提取者澳大利亚病理学家弗洛里澳大利亚病理学家弗洛里澳大利亚病理学家弗洛里澳大利亚病理学家弗洛里 英国化学家钱恩英国化学家钱恩英国化学家钱恩英国化学家钱恩1945194519451945年的诺贝尔年的诺贝尔年的诺贝尔年的诺贝尔生理和医学奖生理和医学奖生理和医学奖生理和医学奖 1949年以前，年以前，“价比黄金价比黄金”，0.12 g 青霉素相当于青霉素相当于1963年，降为年，降为0.9 g 黄金黄金0.22元元白求恩白求恩青霉素的结构通式青霉素的结构通式1.1 现代有机合成化学的定义现代有机合成化学的定义起源：1828年德国化学家魏勒（Whler）:氰酸铵合

6、成尿素。有机合成组合：所谓有机合成组合就是利用几步或多步过程完成某一指定的有理论或实用价值的有机化合物。利用利用简单简单、易得易得的原料，通过有机的原料，通过有机反应，生成具有特定反应，生成具有特定结构和功能结构和功能的有机的有机化合物。化合物。有机合成的有机合成的概念概念原料通常来源于原料通常来源于石油和煤的加工石油和煤的加工产品等产品等乙二醇乙二醇 乙二醇乙二醇60%的水溶的水溶液的凝固点为液的凝固点为-40，所以可用作冬季汽车散所以可用作冬季汽车散热器的防冻剂。热器的防冻剂。用途广泛，可用来合成用途广泛，可用来合成“涤纶涤纶”（的确良）等高（的确良）等高分子化合物，还可用作薄膜、橡胶、增

7、塑剂、干燥剂、分子化合物，还可用作薄膜、橡胶、增塑剂、干燥剂、刹车油等原料，又是常用的高沸点溶剂。刹车油等原料，又是常用的高沸点溶剂。乙二醇经加热后产生的蒸气可用作舞台烟幕，乙二醇经加热后产生的蒸气可用作舞台烟幕，乙二醇的硝酸酯是一种炸药。乙二醇的硝酸酯是一种炸药。有机合成有机合成 贡献卓越：人类物质文明进步与生活水平提高。问题突出：可持续发展、低碳经济。1991年，Trost提出原子经济学说（atomeconomy）:反应物的原子数目最大地进入产物反应物的原子数目最大地进入产物.例如：1996年，美国斯坦福大学Wender教授对现代合成提出了完整定义定义：一种理想的一种理想的(最终是实效的最

8、终是实效的)合成合成是指用简单的、安全的、环境友好的、资源有效的是指用简单的、安全的、环境友好的、资源有效的操作，快速定量地把价廉、易得的起始原料转化为操作，快速定量地把价廉、易得的起始原料转化为天然或设计的目标分子天然或设计的目标分子。Nobel Prizes科学研究至高无上的荣誉。自1901年开始至2012年应有112届，其中8届未公布，即有104届，其中58届与有机化学有关：与有机化学有关的Nobel奖生化结构方法理论高分子反应天然产物153634819与有机合成有关：31项1.2 现代有机合成化学的任务现代有机合成化学的任务为科技发展、社会进步、改善人们物质文明生活提为科技发展、社会进

9、步、改善人们物质文明生活提供具有各种性能的分子，并建立有效的生产方法。供具有各种性能的分子，并建立有效的生产方法。1917年，英R.Robinson仿生合成托品酮：将化学结构、反应性、反应过程以合成方法学的观点联系起来，使有机合成化学第一次作为一门课程开设出来。六硝基六氮杂异伍慈烷（六硝基六氮杂异伍慈烷（HNIW）的结构及其反应）的结构及其反应1953年美国M.Gates人工合成了吗啡：Morphine吗啡1805年从鸦片中提取的生物碱1925年确定结构1987年由美国Nielsen首次合成了当今密度和能量水平最高的高能量密度化合物，被誉为明天的高能炸药。有机合成化学要为理论工作提供具有多种特

10、殊性能有机合成化学要为理论工作提供具有多种特殊性能的分子，以验证和发现新的理论。的分子，以验证和发现新的理论。20世纪下半叶,美R.B.Woodward（1917-1979）向最复杂的天然产物挑战：奎宁（奎宁（1944年）年）可的松（可的松（1951）马钱子碱（马钱子碱（1954）利血平利血平（1958）叶绿素（叶绿素（1960）四环素（四环素（1962）头孢菌素头孢菌素C（1965）前列腺素前列腺素F2（1973）维生素维生素B12 （1973）红霉素（霉素（1981）.1948年从动物肝脏中提取出年从动物肝脏中提取出.1954年用年用X-ray确定结构确定结构.Woodward1965年提

11、出二茂铁夹年提出二茂铁夹心结构，获得心结构，获得Nobel 化学奖。化学奖。.1973年人工合成（年人工合成（14个国家的个国家的110名科学家；共名科学家；共51步）步）Pure Appl.Chem.1973,33,145.合成合成 结构结构 性质性质 理论理论.合成合成VB12时，娴熟合成技术，并时，娴熟合成技术，并 指导助手指导助手Hofmann研究周环反应时研究周环反应时 提出分子轨道对称守恒原理，提出分子轨道对称守恒原理，1981 年，年，Hofmann 和福井谦一因此获和福井谦一因此获 得得Nobel 化学奖化学奖.维生素B12（R=CN）1981年在Woodward领导下,红霉素

12、合成成功：J.Am.Chem.Soc.,1981,103,3210.18个手性中心,理论上有242144个异构体erythromycin1961年开始，E.J.Corey系统建立了逆合成分析方法（Retrosyntheticanalysis）：自目标结构开自目标结构开始采用系列逻辑推理，设计出起始原料及合成路始采用系列逻辑推理，设计出起始原料及合成路线，同时发现新的反应与方法。线，同时发现新的反应与方法。赤霉酸白果苦内酯前列腺素因此，因此，Corey获得获得1990年年Nobel 化学奖。化学奖。Corey领导的研究组借此完成了100多种复杂分子的多步骤合成：Corey的逆合成分析法帮助其他科

13、学家完成了许多复杂分子的多步骤合成。化学家Corey化学家Woodward当今最难的合成当今最难的合成 海葵毒素海葵毒素（Palytoxin）C115，C*64，7个骨架内双键，异构体数27121021最毒物质LD50=25ng/kg哈佛大学Kishi1989年合成成功;24个研究生和博士后历时8年。“有机合成的珠穆朗玛峰有机合成的珠穆朗玛峰”-20世纪有机合成化学的标志世纪有机合成化学的标志。J.Am.Chem.Soc.1989,111,7530-7533.1945-1955年，英F.Sanger测定出牛胰岛素的结构(氨基酸排列次序).1958-1965,9月，汪猷、邢其毅合作，经7年努力,

14、于1965年9月合成成功。1970-1981年，王德宝，汪猷1981年11月合成了第一个具有完整生理活性的酵母丙氨酸转移核糖核酸。我国的重大合成成就我国的重大合成成就-牛胰岛素牛胰岛素的合成的合成结晶牛胰岛素非天然产物的合成非天然产物的合成-有独特结构兴趣有独特结构兴趣富勒烯C60:碳的新同素异形体；亲双烯试剂；亲偶极试剂；自由基储存体。促进有机合成化学与生命科学、材料科学的交叉促进有机合成化学与生命科学、材料科学的交叉结合与相互渗透，满足社会经济发展的需要。结合与相互渗透，满足社会经济发展的需要。（1）与生命科学结合的有机合成化学与生命科学结合的有机合成化学有机合成选择生命科学中的重要物质做

15、合成对象以生物方法用于有机合成模拟生命过程和生命体系的合成（2）与材料科学结合的有机合成化学与材料科学结合的有机合成化学新型导电材料的合成：有机导体、有机磁性材料新型光学材料的合成：非线性光学材料、液晶和有机电致发光材料生物医学材料的合成适应人类社会可持续性发展的要求，创造与人类健适应人类社会可持续性发展的要求，创造与人类健康、自然生态、环境协调发展的低碳经济发展模式。康、自然生态、环境协调发展的低碳经济发展模式。1.3 有机合成反应和方法学有机合成反应和方法学各种各样的基元合成反应基元合成反应是现代有机合成的基础。碳碳-碳键的形成碳键的形成 碳碳-碳键的断裂碳键的断裂 有机反应有机反应 重组

16、重组 官能团的转换官能团的转换 大量合成新试剂大量合成新试剂的出现是合成反应方法学的一个重大进展，特别是元素有机和金属有机试剂及催化剂。寻找高选择性试剂和反应高选择性试剂和反应已成为有机合成化学中最主要的研究课题之一，其中包括化学和区域选择性控制、立体选择性控制等。不对称合成不对称合成是近年来发展较快的领域，而不对称催化反应，在不对称合成中占有突出的位置。天然或设计的复杂有机分子的全合成复杂有机分子的全合成体现现代合成化学的水平，同时推动新试剂、新反应、新方法的发现和学科的交叉结合发展。光化学反应光化学反应(光诱导反应)能够实现化学、区域和立体控制，光化学机理研究和合成应用成为研究热点。电合成

17、化学电合成化学在基础研究和精细化工合成方面展现良好的发展前景。无溶剂合成反应无溶剂合成反应较溶液反应有更高的反应效率，节能、污染少、反应选择性高。固相有机合成固相有机合成广泛用于多肽、寡聚核苷酸和蛋白质、酶等化学合成。包括一些试剂、保护基团的固相化。方法简单、快速。相转移催化技术相转移催化技术近二十年来得到了迅猛发展。微波技术、超高压技术和声化学合成法微波技术、超高压技术和声化学合成法也都是值得注意的合成反应的研究方法。新的前沿学科超分子化学超分子化学逐步形成。鉴于许多生物过程是通过天然有机和高分子化合物的分子间力的作用而有序组合来完成的。合成化学的一个趋势是将研究重心从分子中化学键的断裂与重

18、组向分子间相互作用缔合成有序结构，从而产生特定功能的方向转移。大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、碳60等）分子识别与分子自组装（双分子膜、胶束、DNA双螺旋等）分子器件和新兴有机材料1.4 有机合成反应中的重要问题有机合成反应中的重要问题有机合成反应的速率控制和平衡控制低温时，反应为速率控制或动力学控制：低温时，反应为速率控制或动力学控制：1,2-加成速率快；加成速率快；高温时，反应为平衡控制或热力学控制，高温时，反应为平衡控制或热力学控制，1,4-加成产物更稳定加成产物更稳定。低温时，反应为速率控制或动力学控制：低温时，反应为速率控制或动力学控制：位取代位取代速率快；速率快；高温时，反应

19、为平衡控制或热力学控制，高温时，反应为平衡控制或热力学控制，位取代产物更稳定位取代产物更稳定。1.4.2有机合成反应的选择性化学化学选择选择：分子中的官能团，不需要加以保护和特殊的活化，某一官能团本身就有选择性的反应。选择性氧化选择性氧化选择性还原选择性还原位置位置选择：位置选择是指在反应中，反应试剂定向地进攻反应物的某一位置，或定向地发生在作用物的某一位置，而生成指定结构的产物。Markovnikov规则规则位置选择：位置选择：-H的溴代的溴代反应反应 立体立体选择反反应：凡是在一个反应中，一个立体异构体的产生超过或是大大超过另外其他可能的立体异构体，就叫做立体选择反应。这种反应常与作用物的

20、位阻，过渡状态的立体化学要求以及反应条件有关。不对称醛与甲基碘化镁的加成，空间位阻小的产物占优势：1.5 现代有机合成化学的研究方法现代有机合成化学的研究方法查阅文献 设计合成路线 实验 总结 单元合成反应是现代有机合成化学的基础。目前研究比较透彻的单元反应有1000多个，其中广泛应用的有200多个。同一反应完成的合成方法不尽相同，但研究过程基本一致，一般包括：查阅文献：查阅文献：计算机的使用；常规文献的查阅方法。合成路线设计：合成路线设计：原料来源、反应的安全性、原子经济性；逆合成分析法。实验验证：实验验证：原料、装置、工艺条件控制；新技术与新方法的使用；采用必要的现代技术UV、IR、NMR、MS、HPLC、GC、XRD等验证结构。总结：总结：对实验结果进行再分析，讨论原料、实验条件、分离提纯过程等对转化率、反应收率等的影响，完善合成过程。