有机合成设计讲稿.ppt

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1、关于有机合成设计第一页，讲稿共六十一页哦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的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计。复杂性，需要事先拟定合成路线，这一工作称为合成设计。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二页，讲稿共六十一页哦莨菪碱（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完成了莨菪碱的完成了莨菪碱的合成。从环庚酮出发，经过合成。从环

2、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）第三页，讲稿共六十一页哦第四页，讲稿共六十一页哦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！第五页，讲稿共六十一页哦例例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.RobinsonS.R.Robinson进进一步研究了莨菪碱的结构，进行了合成一步研究了莨菪碱的结构，进行了合成。19471947年获得诺贝

3、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）第六页，讲稿共六十一页哦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复美）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法，把杂分子的基础上，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整理归纳，提出了一套推理思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，即维的方法，即“反合成分析法反合成分析法”或或“逆合成分析法逆合成分析法”设计方法设计方法经验型经验型非经验性非

4、经验性设计的推理机制设计的推理机制反合成型反合成型合成型合成型第七页，讲稿共六十一页哦 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）第八页，讲稿共六十一页哦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！第九页，讲稿共六十一页哦例例 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

5、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十页，讲稿共六十一页哦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）第十一页，讲稿共六十一页哦磺胺类药物的合成通法：磺胺类药物的合成通法：第十二页，讲稿共六十一页哦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

6、事件！（结构新、性能独特）（结构新、性能独特）第十三页，讲稿共六十一页哦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

7、维方法就是逆合成分析，制定合成计划的思维方法就是逆合成分析法。逆合成法是以法。逆合成法是以化学键的合理化学键的合理“切断切断”为基为基础的。础的。第十四页，讲稿共六十一页哦例例1 1.例例2 2.第十五页，讲稿共六十一页哦 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（瘦肉精）盐酸克伦特罗（瘦肉精）第十六页，讲稿共六十一页哦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

8、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第十七页，讲稿共六十一页哦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 applicat

9、ion of a transform,the exact reverse of a synthetic reaction,to a target structure.第十八页，讲稿共六十一页哦不同转变类型：不同转变类型：(1)Disconnecting Transform(Structurally simplifying transform)(2)Non simplifying Transformdis第十九页，讲稿共六十一页哦两碳连接两碳连接骨架重排骨架重排rearrearTypes of Non simplifying Transforms第二十页，讲稿共六十一页哦官能团转变官能团转变FG

10、IFGIFGA官能团增加官能团增加FGAFGR官能团去除官能团去除FGRdis第二十一页，讲稿共六十一页哦rearFGAFGR例例1.1.例例2.2.第二十二页，讲稿共六十一页哦雪卡毒素（雪卡毒素（Ciguatoxin，CTX），非鱼类本身所固有，属获得性毒素。（老虎斑、），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）西星斑、杉斑、苏眉等鱼）第二十三页，讲稿共六十一页哦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成的定义：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

11、成子。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二十四页，讲稿共六十一页哦（1）Electron acceptors（Electronphiles，a-synthon）Synthon typeexamplereagentfunctional groupa0a1CH3COCH3a2a3-COORAlkyl a第二十五页，讲稿共六十一页哦（2）Electron Donors（Nucleophiles，d-synthons）CH3CHOd2d3CH3L

12、iAlkyl dKCNd1CH3SHCH3S-d0functional groupreagentexampleSynthon type第二十六页，讲稿共六十一页哦2.3.1.4 合成树（合成树（Synthetic tree）TMABCDEFGHIJKLM NOP第二十七页，讲稿共六十一页哦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

13、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，使问题简化第二十八页，讲稿共六十一页哦例：利用对称性进行键的例：利用对称性进行键的“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二十九页，讲稿共六十一页哦（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三十页，讲稿共六十一页哦（4）作业作业（3）注意羰基的注意羰基的-键键第三十一页，讲稿共六十一页哦Symmetry and Strategic DisconnectionsSqualeneabb其它例子：其它例子：（1）第三十二页，讲稿共六十一页哦角鲨烯（角鲨烯（C C3030 ）尾尾 尾尾异戊

14、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的整的整数倍，而且可以看出是由数倍，而且可以看出是由5 5个碳原子的异戊二烯单位主要以个碳原子的异戊二烯单位主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*第三十三页，讲稿共六十一页哦（2）（3）第三十四页，讲稿共六十一页哦2.3.3.2 2.3.3.2 目标分子的官能团目标分子的官能团（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

15、！敏感的官能团后引入或采用保护基！第三十五页，讲稿共六十一页哦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！一般由原料引入！第三十六页，讲稿共六十一页哦（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

16、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-键键第三十七页，讲稿共六十一页哦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。为了获得比较纯净的异构体，应尽可能选择立体专属性或立体选择较纯净的异构体，应尽可能选择立体专属性或立体选择性的反应用于有机合成中。性的反应用于有机合成中。立体

17、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三十八页，讲稿共六十一页哦（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三十九页，讲稿共六十一页哦（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）烯烃的亲电加成溴化溴化反式加成反式加成第四十页，讲稿共六十一页哦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四十一页，讲稿共六十一页哦（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

18、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四十二页，讲稿共六十一页哦例例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。第四

19、十三页，讲稿共六十一页哦例2.扑炎痛的合成(会聚法)+扑炎痛阿司匹林扑热息痛第四十四页，讲稿共六十一页哦总结：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（

20、C-O、C-X、C-N等）等）羰基的羰基的-键切断键切断第四十五页，讲稿共六十一页哦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)第四十六页，讲稿共六十一页哦要求：画出反合成分析过程，设计出合理合成路线！要求：画出反合成分析过程，设计出合理合成路线！(2)(3)第四十七页，讲稿共六十一页哦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地球（宇宙）

21、的生态环境要求球（宇宙）的生态环境要求相结合，寻求最佳合相结合，寻求最佳合成路线。成路线。路线选择：高效路线选择：高效 低成本低成本 绿色绿色第四十八页，讲稿共六十一页哦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”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四十九页，讲稿共六十一页哦一条线式：一条线式：ABCDEF90%90%90%90%90%五步收率五步收率59%汇聚式：汇

22、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；先难后易；前面的反应有利于后面反应的进行；价格高的原料晚用。易；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。第五十页，讲稿共六十一页哦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：第五十一页，讲稿共六十一页哦萨波脱摩（治喘药物）萨波脱摩（治喘药物）例例2：第五十二页，讲稿共六十一页哦阿司匹林阿司匹林第五十三页，讲稿共六十

23、一页哦合成路线：合成路线：第五十四页，讲稿共六十一页哦例例3:奥森米特奥森米特 轻度镇定剂轻度镇定剂第五十五页，讲稿共六十一页哦例例4：1 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第五十六页，讲稿共六十一页哦1，3-二羰基化合物二羰基化合物+关键：切断关键：切断CC键键或或第五十七页，讲稿共六十一页哦1 1，3-3-二羰基化合物二羰基化合物第五十八页，讲稿共六十一页哦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第五十九页，讲稿共六十一页哦1，6-二羰基化合物二羰基化合物如如：con3 3第六十页，讲稿共六十一页哦感感谢谢大大家家观观看看第六十一页，讲稿共六十一页哦