第二章有机合成设计PPT讲稿.ppt

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1、第二章有机合成设计第1页，共62页，编辑于2022年，星期二2.1 有机合成设计有机合成设计2.1.1 定义：定义：在多步骤有机合成中，由于合成对象或所谓目标分子在多步骤有机合成中，由于合成对象或所谓目标分子的复杂性，需要事先拟定合成路线，这一工作称为合成设的复杂性，需要事先拟定合成路线，这一工作称为合成设计。计。完成合成工作完成合成工作合理的合成设计合理的合成设计训练有素的合成手艺训练有素的合成手艺第2页，共62页，编辑于2022年，星期二莨菪碱（颠茄醇）莨菪碱（颠茄醇）例例1 1.1901903 3年，德国化学家年，德国化学家WillstWillstttertter完成了莨菪碱的合完成了莨

2、菪碱的合成。从环庚酮出发，经过成。从环庚酮出发，经过2020余步反应完成，产率极余步反应完成，产率极低。低。1915 1915年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。颠茄碱（阿托品）颠茄碱（阿托品）第3页，共62页，编辑于2022年，星期二第4页，共62页，编辑于2022年，星期二莨菪碱莨菪碱假石榴皮碱假石榴皮碱颠茄酮颠茄酮多次使用多次使用霍夫曼彻底甲基化法霍夫曼彻底甲基化法在分子内构建双键！在分子内构建双键！第5页，共62页，编辑于2022年，星期二例例2 2.十四年后（十四年后（19171917年），英国著名有机化学家年），英国著名有机化学家S.R.S.R.RobinsonRobinson进一步研

3、究了莨菪碱的结构，进行了合成进一步研究了莨菪碱的结构，进行了合成。19471947年获得诺贝尔奖。年获得诺贝尔奖。-2CO2假石榴皮碱假石榴皮碱颠茄酮颠茄酮（麻醉剂）（麻醉剂）第6页，共62页，编辑于2022年，星期二颠茄碱（阿托品）的化学合成颠茄碱（阿托品）的化学合成第7页，共62页，编辑于2022年，星期二2.1.2 2.1.2 计算机在有机合成设计中的应用计算机在有机合成设计中的应用 1967年，年，E.J.Corey（美）在前人逻辑推理地构建美）在前人逻辑推理地构建复杂分子的基础上，吸收了计算机程序设计的思维方复杂分子的基础上，吸收了计算机程序设计的思维方法，把许多合成反应系统地进行了

4、整理归纳，提出了法，把许多合成反应系统地进行了整理归纳，提出了一套推理思维的方法，即一套推理思维的方法，即“反合成分析法反合成分析法”或或“逆合逆合成分析法成分析法”单纯依赖计算机进行有机合成设计，还未取得完全成功，必须对计算机设计出的合成路线进行综合可行性评价。（反应能否进行，反应速度，收率，原料来源及污染等问题）第8页，共62页，编辑于2022年，星期二2.2 解决合成设计时的几种策略解决合成设计时的几种策略2.2.1 由原料决定合成设计的策略由原料决定合成设计的策略起始原料起始原料反应反应目标分子目标分子123N123N开发新产品及寻找最佳性能分子！开发新产品及寻找最佳性能分子！第9页，

5、共62页，编辑于2022年，星期二例例 二战前后，抗炎药物磺胺类的设计合成二战前后，抗炎药物磺胺类的设计合成。抗炎药抗炎药 百浪多息百浪多息有效结构有效结构磺胺磺胺第10页，共62页，编辑于2022年，星期二磺胺吡啶磺胺吡啶磺胺噻唑磺胺噻唑（ST）磺胺嘧啶（磺胺嘧啶（SD）磺胺胍（磺胺胍（SG）磺胺异磺胺异噁噁唑（唑（SMZ）第11页，共62页，编辑于2022年，星期二磺胺类药物的合成通法：磺胺类药物的合成通法：第12页，共62页，编辑于2022年，星期二2.2.2 由化学反应决定合成目标的策略由化学反应决定合成目标的策略反应反应计划外目标分子计划外目标分子起始原料起始原料许多新型化合物的发现

6、及新反应的发现，都有这样的规律！许多新型化合物的发现及新反应的发现，都有这样的规律！冠醚的发现及研究！冠醚的发现及研究！关注实验中的偶然及可疑事件！关注实验中的偶然及可疑事件！（结构新、性能独特）（结构新、性能独特）第13页，共62页，编辑于2022年，星期二2.2.3 由目标分子决定合成设计的策略由目标分子决定合成设计的策略逆合成分析法逆合成分析法目标分子目标分子（1）天然产物的结构验证）天然产物的结构验证（2）天然产物的批量生产）天然产物的批量生产（3）为理论需要而设计的新奇分子）为理论需要而设计的新奇分子全合成全合成化学合成化学合成思维方式：思维方式：目标分子目标分子中间体中间体起始原料

7、起始原料合成路线：合成路线：起始原料起始原料中间体中间体目标分子目标分子逆合成分析法逆合成分析法：这种分析目标分子的结构，找出起始原料，这种分析目标分子的结构，找出起始原料，制定合成计划的思维方法就是逆合成分析法。制定合成计划的思维方法就是逆合成分析法。逆合成法是以逆合成法是以化学键的合理化学键的合理“切断切断”为基础为基础的。的。第14页，共62页，编辑于2022年，星期二例例1 1.例例2 2.第15页，共62页，编辑于2022年，星期二 逆合成分析应用于复杂分子时，由于有多种“切断”方式，故有多条合成路线，需进行筛选。萨波脱摩（治喘药物）萨波脱摩（治喘药物）肾上腺素肾上腺素盐酸克伦特罗（

8、瘦肉精）盐酸克伦特罗（瘦肉精）第16页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3 逆合成分析法逆合成分析法2.3.1 逆合成法的原理和基本概念逆合成法的原理和基本概念2.3.1.1 逆合成分析法的原理逆合成分析法的原理目标分子目标分子中间体中间体起始原料起始原料合成路线：合成路线：起始原料起始原料中间体中间体目标分子目标分子分析过程：分析过程：基础：化学键的合理切断基础：化学键的合理切断Retrosynthtic(or antithetic)analysis第17页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3.1.2 逆合成分析中的不同逆合成分析中的不同“转变转变”过程过程目标分子目标分子二级目

9、标分子二级目标分子（更易与原料关联或实施切断）（更易与原料关联或实施切断）转变转变The transformation of a molecule to a synthetic precursor is accomplished by the application of a transform,the exact reverse of a synthetic reaction,to a target structure.第18页，共62页，编辑于2022年，星期二不同转变类型：不同转变类型：(1)Disconnecting Transform(Structurally simplifying

10、 transform)(2)Non simplifying Transformdis第19页，共62页，编辑于2022年，星期二两碳连接两碳连接骨架重排骨架重排rearrearTypes of Non simplifying Transforms第20页，共62页，编辑于2022年，星期二官能团转变官能团转变FGIFGIFGA官能团增加官能团增加FGAFGR官能团去除官能团去除FGRdis第21页，共62页，编辑于2022年，星期二rearFGAFGR例例1.1.例例2.2.第22页，共62页，编辑于2022年，星期二雪卡毒素（雪卡毒素（Ciguatoxin，CTX），非鱼类本身所固有，属获得

11、性毒素。（老虎），非鱼类本身所固有，属获得性毒素。（老虎斑、西星斑、杉斑、苏眉等鱼）斑、西星斑、杉斑、苏眉等鱼）第23页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3.1.3 合成子合成子由目标分子由目标分子“切断切断”后的后的碎片碎片即为合成子。即为合成子。Corey的定义：凡能用已知或合理的操作连接的定义：凡能用已知或合理的操作连接成分子的结构单元，均称为合成子。成分子的结构单元，均称为合成子。合成子合成子种类种类电子接受体合成子电子接受体合成子电子给予体合成子电子给予体合成子电中性自由基合成子电中性自由基合成子电中性非自由基合成子电中性非自由基合成子第24页，共62页，编辑于2022年，星期

12、二（1）Electron Donors（Nucleophiles，d-synthons）CH3CHOd2d3CH3LiAlkyl dKCNd1CH3SHCH3S-d0functional groupreagentexampleSynthon type第25页，共62页，编辑于2022年，星期二（2）Electron acceptors（Electronphiles，a-synthon）Synthon typeexamplereagentfunctional groupa0a1CH3COCH3a2a3-COORAlkyl a第26页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3.1.4 Synthe

13、tic treeTMABCDEFGHIJKLMNOP第27页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3.2 目标分子的结构剖析目标分子的结构剖析分子大小分子大小官能团官能团分子骨架分子骨架立体化学特征立体化学特征结构剖析结构剖析2.3.3.1 2.3.3.1 目标分子的大小目标分子的大小（1）分子是否具有）分子是否具有对称性对称性真实对称性真实对称性潜在对称性：等价物所表潜在对称性：等价物所表 现的对称性现的对称性 （2）从）从对称部位对称部位“切断切断”，使问题简化，使问题简化会聚合成会聚合成双向合成双向合成第28页，共62页，编辑于2022年，星期二例：利用对称性进行键的例：利用对称性进行

14、键的“切断切断”（1）注意分枝较多部位的化学键注意分枝较多部位的化学键第29页，共62页，编辑于2022年，星期二（2）注意碳与杂原子之间的化学键注意碳与杂原子之间的化学键第30页，共62页，编辑于2022年，星期二（3）作业作业（4）注意羰基的注意羰基的-键键第31页，共62页，编辑于2022年，星期二（5）奥森米特奥森米特 轻度镇定剂轻度镇定剂第32页，共62页，编辑于2022年，星期二Symmetry and Strategic DisconnectionsSqualeneabb其它例子：其它例子：（1）第33页，共62页，编辑于2022年，星期二角鲨烯（角鲨烯（C C3030 ）尾尾

15、尾尾异戊二烯异戊二烯异戊二烯单位异戊二烯单位头头 尾尾 萜类化合物的结构特点：分子中的碳原子数都是萜类化合物的结构特点：分子中的碳原子数都是5 5的的整数倍，而且可以看出是由整数倍，而且可以看出是由5 5个碳原子的异戊二烯单位主个碳原子的异戊二烯单位主要以要以头尾相连接成头尾相连接成，这个现象叫异戊二烯规则。，这个现象叫异戊二烯规则。三萜三萜*第34页，共62页，编辑于2022年，星期二（2）（3）第35页，共62页，编辑于2022年，星期二仙鹤草酚仙鹤草酚C CHCHO，KOH（4）第36页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3.3.2 2.3.3.2 目标分子的官能团目标分子的官能团（

16、1）官能团的种类与性质）官能团的种类与性质（2）形成方法与引入的先后顺序）形成方法与引入的先后顺序敏感的官能团后引入或采用保护基！敏感的官能团后引入或采用保护基！第37页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3.3.3 2.3.3.3 骨架分析骨架分析（1）目标分子的骨架结构分析）目标分子的骨架结构分析开链骨架开链骨架注意分枝或拐弯处注意分枝或拐弯处回想有什么方法（反应）可以利用回想有什么方法（反应）可以利用碳链在此装配合拢的条件碳链在此装配合拢的条件环状骨架环状骨架环的种类、大小环的种类、大小寻找合适的成环方法（有些可从原料引入）寻找合适的成环方法（有些可从原料引入）苯环苯环一般由原料引入

17、！一般由原料引入！第38页，共62页，编辑于2022年，星期二（2）找出）找出“策略键策略键”“策略键策略键”：切断后能达到最大简化的键。切断后能达到最大简化的键。“策略键策略键”对称部位的键对称部位的键多环体系共用原子键多环体系共用原子键与杂原子相连的键与杂原子相连的键分枝、拐弯处的键分枝、拐弯处的键羰基的羰基的-键键第39页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3.3.4 2.3.3.4 目标分子的立体化学特征目标分子的立体化学特征 目标分子的立体化学特征的分析非常重要，大多数复目标分子的立体化学特征的分析非常重要，大多数复杂天然产物都存在顺反异构和旋光异构。为了获得比较纯杂天然产物都存

18、在顺反异构和旋光异构。为了获得比较纯净的异构体，应尽可能选择立体专属性或立体选择性的反净的异构体，应尽可能选择立体专属性或立体选择性的反应用于有机合成中。应用于有机合成中。立体专属性反应：立体专属性反应：（1）取代反应）取代反应R 构型反转构型反转被进攻手性中心的构型反转被进攻手性中心的构型反转第40页，共62页，编辑于2022年，星期二（2）有邻基参与的）有邻基参与的SN2反应反应被进攻的手性中心的构型保持被进攻的手性中心的构型保持第41页，共62页，编辑于2022年，星期二（3）消除反应：）消除反应：E2H和和Br（或或 X）在同平面上呈反位排列在同平面上呈反位排列（4）烯烃的亲电加成）烯

19、烃的亲电加成溴化溴化反式加成反式加成第42页，共62页，编辑于2022年，星期二环氧化环氧化顺式顺式羟基化羟基化顺式顺式反式反式第43页，共62页，编辑于2022年，星期二（1）键）键“切断切断”的要求的要求切断后应能复原切断后应能复原尽可能切开所有能复原的键，提尽可能切开所有能复原的键，提高路线设计的选择余地。高路线设计的选择余地。2.3.4 键的“切断”及“切断”技巧（2 2）键的切断技巧：）键的切断技巧：优先考虑优先考虑骨架骨架的形成的形成（环、分枝、策略键）（环、分枝、策略键）利用分子的利用分子的对称性对称性切断切断优先在优先在杂原子杂原子处切断处切断将目标分子进行将目标分子进行适当适

20、当“转变转变”后后再切断再切断采用采用会聚法会聚法切断切断第44页，共62页，编辑于2022年，星期二例例1.更好！更好！会聚法（平行会聚法（平行-连续法）连续法）尽量将目标分子分成两大部分，再将此两大部分各拆成次大部分，而避免将目标分子按小段逐一拆解。第45页，共62页，编辑于2022年，星期二例2.扑炎痛的合成(会聚法)+扑炎痛阿司匹林扑热息痛第46页，共62页，编辑于2022年，星期二总结：总结：指导优良指导优良“切断切断”的准则的准则 使合成步骤尽可能短使合成步骤尽可能短 只用相当于已知可信反应的切断只用相当于已知可信反应的切断 根据官能团，切断根据官能团，切断CC键键利用对称性在分子

21、中央切断利用对称性在分子中央切断在支化点上切断在支化点上切断将环上的支链切下将环上的支链切下 切断应相当于最高产率的反应切断应相当于最高产率的反应 切断后起始原料应简单易得切断后起始原料应简单易得 切断应尽可能满足绿色化学的要求切断应尽可能满足绿色化学的要求切断碳切断碳杂原子键（杂原子键（C-O、C-X、C-N等）等）羰基的羰基的-键切断键切断第47页，共62页，编辑于2022年，星期二3 3：作业：作业敌稗敌稗高效低毒除草剂高效低毒除草剂除幼稗草，对水稻、甘薯安全除幼稗草，对水稻、甘薯安全(1)第48页，共62页，编辑于2022年，星期二要求：画出反合成分析过程，设计出合理合成路线！要求：画

22、出反合成分析过程，设计出合理合成路线！(2)(3)第49页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3.5 2.3.5 应用反合成分析进行路线设计的步骤应用反合成分析进行路线设计的步骤（1）画出合成树）画出合成树（2）合成路线的选择）合成路线的选择 以化学家的以化学家的效率观效率观、经济学家的、经济学家的价值规律价值规律及及地球地球（宇宙）的生态环境要求（宇宙）的生态环境要求相结合，寻求最佳合成相结合，寻求最佳合成路线。路线。路线选择：高效路线选择：高效 低成本低成本 绿色绿色第50页，共62页，编辑于2022年，星期二避长取短避长取短采用采用“汇聚式汇聚式”路线，避免路线，避免“一条线一条线”

23、式的路线。式的路线。考察几个问题考察几个问题原则原则是否可行：是否可行：产率、反应条件产率、反应条件是否经济：是否经济：原料、成本、销路原料、成本、销路是否有是否有创造性、创新性创造性、创新性是否符合绿色化学要求是否符合绿色化学要求第51页，共62页，编辑于2022年，星期二一条线式：一条线式：ABCDEF90%90%90%90%90%五步收率五步收率59%汇聚式：汇聚式：ABC90%90%DEF90%90%G90%五步收率五步收率73%反应次序的合理安排：反应次序的合理安排：产率低产率低的反应尽可能安排在的反应尽可能安排在前面前面；先难后易；先难后易；前面的反应有利于后面反应的进行；价格高的

24、原料晚用。前面的反应有利于后面反应的进行；价格高的原料晚用。反应条件与实验操作：易于控制，条件温和。反应条件与实验操作：易于控制，条件温和。第52页，共62页，编辑于2022年，星期二2.3.6 反合成分析法应用举例反合成分析法应用举例例例1：第53页，共62页，编辑于2022年，星期二萨波脱摩（治喘药物）萨波脱摩（治喘药物）例例2：第54页，共62页，编辑于2022年，星期二阿司匹林阿司匹林第55页，共62页，编辑于2022年，星期二合成路线：合成路线：第56页，共62页，编辑于2022年，星期二例例3：1 1，3-3-二羰基化合物二羰基化合物1 1，5-5-二羰基化合物二羰基化合物1 1，6-6-二羰基化合物二羰基化合物2 23 3第57页，共62页，编辑于2022年，星期二1，3-二羰基化合物二羰基化合物+关键：切断关键：切断CC键键或或第58页，共62页，编辑于2022年，星期二1 1，3-3-二羰基化合物二羰基化合物第59页，共62页，编辑于2022年，星期二1，5-二羰基化合物二羰基化合物关键：切断关键：切断CC键键Michael加成反应加成反应2 2第60页，共62页，编辑于2022年，星期二1，6-二羰基化合物二羰基化合物如：如：con3 3第61页，共62页，编辑于2022年，星期二逆逆Diels-Alder过程过程第62页，共62页，编辑于2022年，星期二