03第一章材料合成化学的热点及研究进展 1.2 有机合成化学(续).ppt
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1、1.2 有机合成化学有机合成化学前述有关复杂天然产物及高张力非天然产物的前述有关复杂天然产物及高张力非天然产物的合成,都是建立在一定的合成手段基础之上。合成,都是建立在一定的合成手段基础之上。1.2.2 有机合成方法学研究进展有机合成方法学研究进展 19世纪世纪50年代之前,许多合成方法来自于对天年代之前,许多合成方法来自于对天然产物降解的深入研究。然产物降解的深入研究。如今,有机化学家则能从逻辑思维的理性角度如今,有机化学家则能从逻辑思维的理性角度分析设计出目标分子的合成策略及具体的合成手段。分析设计出目标分子的合成策略及具体的合成手段。1.2 有机合成化学有机合成化学 在发展一个有用的合成
2、方法时,有机合成化学家常要在发展一个有用的合成方法时,有机合成化学家常要考虑如下几个问题:考虑如下几个问题:(1)产率;产率;(2)反应条件;反应条件;(3)反应选择性(包括化学、区域及立体选择性);反应选择性(包括化学、区域及立体选择性);(4)反应起始原料来源;反应起始原料来源;(5)使化学计量反应尽可能向催化循环发展;使化学计量反应尽可能向催化循环发展;(6)环境污染。环境污染。1.2 有机合成化学有机合成化学 温温和和的的反反应应条条件件、优优异异的的选选择择性性及及催催化化性性反反应应往往往往是是当前有机合成化学家关注的焦点。当前有机合成化学家关注的焦点。因为因为这些问题的解决就意味
3、着高产率与低污染这些问题的解决就意味着高产率与低污染。l1)化学选择性)化学选择性 化学选择性主要指试剂对不同官能团的选择性反应。化学选择性主要指试剂对不同官能团的选择性反应。在在有有机机合合成成中中,往往往往要要进进行行各各种种官官能能团团的的转转换换、引引入入或或脱脱除除,因因而而化化学学选选择择性性在在多多步步合合成成或或对对多多官官能能团团化化合合物物的的反反应中显得十分重要。应中显得十分重要。化化学学选选择择性性包包括括,选选择择性性还还原原反反应应、选选择择性性氧氧化化与与高高度度选选择性的保护基团。择性的保护基团。1.2 有机合成化学有机合成化学 在在FuhrhopPenzlin
4、所所著著的的有有机机合合成成一一书书中中,对对各各种种还还原原剂剂对对不不同同官官能能团团反反应应的的难难易易程程度度给给出出了了一张比较清晰的相关表。一张比较清晰的相关表。对对Hudlicky的专著亦应该加以重视。的专著亦应该加以重视。另有许多文献对此进行阐述。另有许多文献对此进行阐述。(1)选择性还原反应选择性还原反应 已经研究得比较多,目前大多还原方法都已经已经研究得比较多,目前大多还原方法都已经建立起来,并且比较有效、成熟。建立起来,并且比较有效、成熟。1.2 有机合成化学有机合成化学(2)选择性氧化反应)选择性氧化反应 这方面的研究远不及还原反应那样透彻,尽管这方面的研究远不及还原反
5、应那样透彻,尽管FuhrhopPenzlin所著的有机合成一书中亦有一张类似还原所著的有机合成一书中亦有一张类似还原反应那样的相关图,但氧化剂的选择性往往较差,只能依靠反应那样的相关图,但氧化剂的选择性往往较差,只能依靠底物不同的特点来认真考察试剂系统。底物不同的特点来认真考察试剂系统。目前,选择性氧化仍主要集中于不同醇类的氧化及氧化目前,选择性氧化仍主要集中于不同醇类的氧化及氧化程度控制。程度控制。例如,人们将硝酸铜或则例如,人们将硝酸铜或则KMnO4附着于硅胶之上,可附着于硅胶之上,可选择性地将仲醇及苄醇氧化为酮与苯甲醛,而对分子中的伯选择性地将仲醇及苄醇氧化为酮与苯甲醛,而对分子中的伯醇
6、则无任何影响。醇则无任何影响。1.2 有机合成化学有机合成化学 相反地,氧化伯醇与仲醇完全不受影响的试剂则相反地,氧化伯醇与仲醇完全不受影响的试剂则不多,依文献报道,初获成功的这类试剂有:不多,依文献报道,初获成功的这类试剂有:依文献报道,初获成功的这类试剂有:依文献报道,初获成功的这类试剂有:(1)次氯酸钠次氯酸钠四甲基六氢吡啶四甲基六氢吡啶N氧化物;氧化物;(2)二氯化钙二氯化钙三苯氧磷三苯氧磷苯;苯;(3)二氢化二茂锆催化的二氢化二茂锆催化的Oppenaner氧化。氧化。控控制制氧氧化化程程度度的的问问题题,最最主主要要的的是是由由醇醇到到醛醛或或酮酮不不被被进进一一步步氧氧化化,这这类
7、类试试剂剂较较多多,但但值值得得一一提提的的是是由由草草酰酰氯氯活活化化的的二二甲亚砜(甲亚砜(DMSO)氧化体系。)氧化体系。1.2 有机合成化学有机合成化学 高度选择性的保护基团,在有机合成,尤其在复杂高度选择性的保护基团,在有机合成,尤其在复杂的多官能团化合物的合成中显得十分重要。的多官能团化合物的合成中显得十分重要。例如,在海葵毒素的合成中,基团保护显得格外重要。例如,在海葵毒素的合成中,基团保护显得格外重要。海葵毒素分子中有海葵毒素分子中有1个碳基,个碳基,1个氨基和个氨基和41个羟基。个羟基。Kishi合成小组共选用了合成小组共选用了8种不同的保护基团,等合成完带保种不同的保护基团
8、,等合成完带保护基的海葵毒素后,依次又脱去这些基团,最后以护基的海葵毒素后,依次又脱去这些基团,最后以35的高的高产率脱除了产率脱除了8种种42个保护基团。个保护基团。(3)基团的选择性保护)基团的选择性保护1.2 有机合成化学有机合成化学在有机合成中,在有机合成中,羟基保护羟基保护是常用的合成技术。是常用的合成技术。p传统保护方法:烯基醚(如乙烯基乙醚)法,比较方便,但传统保护方法:烯基醚(如乙烯基乙醚)法,比较方便,但脱保护基条件较为苛刻;脱保护基条件较为苛刻;p改用三甲基硅醚法后,可解决这一问题,只是三甲基硅醚对改用三甲基硅醚法后,可解决这一问题,只是三甲基硅醚对质子性溶剂太不稳定,从而
9、使其应用受限;质子性溶剂太不稳定,从而使其应用受限;p后来发现二甲基叔丁基硅醚,其稳定性较三甲基硅醚高了近后来发现二甲基叔丁基硅醚,其稳定性较三甲基硅醚高了近万倍,不仅如此,该保护基对水中氧化、氢解及其它温和还原万倍,不仅如此,该保护基对水中氧化、氢解及其它温和还原均较稳定,保护完后可用氟离子在室温下脱去。均较稳定,保护完后可用氟离子在室温下脱去。p我国有机合成工作者报道了我国有机合成工作者报道了醛碳基醛碳基的选择性保护,从而实现的选择性保护,从而实现在同一分子中,让活性小的酮碳基反应,而保护醛基不受影响。在同一分子中,让活性小的酮碳基反应,而保护醛基不受影响。1.2 有机合成化学有机合成化学
10、l 2)区域选择性)区域选择性 区域选择性区域选择性:是指试剂对于一个反应体系的是指试剂对于一个反应体系的不不同部位同部位的的进进攻,也可以是对两个处于攻,也可以是对两个处于不同位置不同位置的两个的两个完全相同官能团的选择性进攻完全相同官能团的选择性进攻。这里举几个研究十分成熟且可作为规律性介绍的这里举几个研究十分成熟且可作为规律性介绍的实例。实例。(1)烯丙基体系的区域选择性进攻烯丙基体系的区域选择性进攻取代烯丙基乙酸酯与丙二酸二甲酯钠盐在不同条件取代烯丙基乙酸酯与丙二酸二甲酯钠盐在不同条件下区域选择性反应下区域选择性反应 图图1-5 -烯丙基体系的区域选择性进攻烯丙基体系的区域选择性进攻1
11、.2 有机合成化学有机合成化学 当当无无金金属属有有机机物物存存在在时时,只只发发生生传传统统的的烷烷基化(溴被置换);基化(溴被置换);当当用用不不同同过过渡渡金金属属有有机机物物时时,因因烯烯丙丙位位活活化分别发生化分别发生()和(和()两种不同方式的反应。)两种不同方式的反应。我我国国有有机机合合成成工工作作者者陆陆熙熙炎炎已已将将这这种种方方法法用来合成烯丙基膦酸。用来合成烯丙基膦酸。1.2 有机合成化学有机合成化学(2)不饱和酮体系的选择性进攻不饱和酮体系的选择性进攻 亲亲核核试试剂剂对对一一个个,-不不饱饱和和羰羰基基化化合合物物的的进进攻攻,究究竟竟发发生生1,2-位位亲亲核核进
12、进攻攻还还是是1,4-位位亲亲核核进进攻攻,已已是是熟熟知知的的合合成方法了。成方法了。但但对对非非共共轭轭体体系系的的不不饱饱和和羰羰基基化化合合来来说说,亲亲核核试试剂剂从从何处攻击呢?何处攻击呢?比如下列两个不饱和羰基化合物,戴立信将它们比如下列两个不饱和羰基化合物,戴立信将它们分别变为缩硫酮后,在分别变为缩硫酮后,在Pb()存在下,亲核试剂可)存在下,亲核试剂可专一性地进攻前者的专一性地进攻前者的5-位与后者的位与后者的6-位。位。1.2 有机合成化学有机合成化学 环氧醇是烯醇不对称氧化的必然产物。由它开环氧醇是烯醇不对称氧化的必然产物。由它开环后形成的二醇应用广泛,但对环氧醇分子中不
13、同环后形成的二醇应用广泛,但对环氧醇分子中不同位置的亲校进攻会形成不同的产物,因此,研究该位置的亲校进攻会形成不同的产物,因此,研究该类化合物的区域选择性开环十分活跃。类化合物的区域选择性开环十分活跃。(3)环氧醇的区域选择性开环环氧醇的区域选择性开环 1.2 有机合成化学有机合成化学(4)远程区域控制反应远程区域控制反应 羰羰基基钼钼与与叔叔丁丁基基过过氧氧化化氢氢只只对对烯烯丙丙醇醇体体系系发发生生烯烯烃的环氧化反应。烃的环氧化反应。因因 此此,对对 甾甾 族族 化化 合合 物物 来来 说说,Mo(CO)6/tBuOOH不不能能将将分分子子中中双双键键环环氧氧化化,但但将将其其装装上上末末
14、端端有有羟羟基基的的模模板板后后,在在空空间间上上烯烯烃烃与与该该羟羟基基构构成成类类似似于于烯丙醇的系统,因而能顺利将分子中双键环氧化。烯丙醇的系统,因而能顺利将分子中双键环氧化。1.2 有机合成化学有机合成化学图图1-6 远程区域控制反应实例远程区域控制反应实例 1.2 有机合成化学有机合成化学 显显然然,末末端端模模板板的的大大小小、方方向向必必须须恰恰好好满满足足使使其其末末端端羟羟基基与与原原分分子子中中末末端端双双键键在在空空间间上上构构成成“烯烯丙丙醇醇结结构构”,所所以以(19)中中,当当n=2变变为为(19b)时时,或或(19a)中中模模板板上上两两个个基基团团不不在在对对位
15、位时时,上上述述远远程程区区域域控控制制反反应应都都不不会会发发生生,这这种种远远程程区区域域控控制制反反应应的的良良好好选选择择性性来自于过渡金属的配位作用。来自于过渡金属的配位作用。这类反应也可以推广到有机合成的其它领域。这类反应也可以推广到有机合成的其它领域。1.2 有机合成化学有机合成化学l 3)立体选择性)立体选择性 (1)顺反异构选择性顺反异构选择性 在形成双键的反应(如炔烃还原,碳基化合物的在形成双键的反应(如炔烃还原,碳基化合物的wittig反应以及其它多重键的进攻或加成等反应)中,反应以及其它多重键的进攻或加成等反应)中,只要形成的双键碳上所带的基团不同,必然涉及产物只要形成
16、的双键碳上所带的基团不同,必然涉及产物的的Z式或式或E式结构。式结构。近近40年来,这方面的研究十分活跃,文献报道也年来,这方面的研究十分活跃,文献报道也举不胜举。举不胜举。对对映映面面的的选选择择性性是是目目前前极极富富挑挑战战性性的的问问题题,近近二二十十几几年年来来,多多种种不不对对称称合合成成反反应应已已经经取取得得了了相相当当出出色色的成果,应用不对称合成的工业装置已经建立。的成果,应用不对称合成的工业装置已经建立。(2)对映面选择性对映面选择性 如如不不对对称称氧氧化化的的LDopa的的手手性性合合成成,不不对对称称氢氢转转移移反反应应的的薄薄荷荷醇醇的的大大规规模模生生产产,特特
17、别别是是新新、特特医医药药的的工业合成等。工业合成等。对对映映面面选选择择性性仍仍然然是是今今后后有有机机合合成成的的发发展展方方向向之之一一,因因为为人人体体本本身身就就是是一一个个不不对对称称物物质质的的综综合合体体,如如人人体体中中葡葡萄萄糖糖均均为为D型型,人人体体中中的的乳乳酸酸均均为为左左旋旋,许许多多治治疗人体疾病的药物也都具有手性等等。疗人体疾病的药物也都具有手性等等。1.2 有机合成化学有机合成化学p在在近近几几十十年年的的有有机机合合成成研研究究中中,除除满满足足选选择择性性外外,对反应条件的要求越来越趋向温和:对反应条件的要求越来越趋向温和:p温度最好是室温;温度最好是室
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