有机合成化学第一章绪论.ppt

有机合成化学,第一章 绪论,内容提要,1.现代有机合成化学的定义2.现代有机合成化学的任务3.有机合成反应与方法学4.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6.现代有机合成化学的研究方法,石器时代,合成塑料,聚四氟乙烯“塑料王”,合成纤维,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、国防、交通及日常生活中。,合成橡胶的用途,功能性材料,石器时代,世界上每年合成的近百万个新化合物中约70%以上是有机化合物。,用化学方法人工合成物质,复写自然物质,用化学方法人工合成物质,修饰自然物质,晶体,阿司匹林:第一种重要的人工合成药物,用化学方法人工合成物质,创造新物质，如尼龙、涤纶、炸药、医药等等,合成材料显神威神九飞天,青霉素的发现者英国细菌学家弗莱明,人类治疗细菌性感染的第一武器青霉素,最伟大的三项发明青霉素、原子弹、雷达,人类治疗细菌性感染的第一武器青霉素,最伟大的三项发明青霉素、原子弹、雷达,青霉素的提取者澳大利亚病理学家弗洛里 英国化学家钱恩,1945年的诺贝尔生理和医学奖,1949年以前，“价比黄金”，0.12 g 青霉素相当于,1963年，降为,0.9 g 黄金,0.22元,白求恩,青霉素的结构通式,1.1 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。,利用简单、易得的原料，通过有机反应，生成具有特定结构和功能的有机化合物。,有机合成的概念,原料通常来源于石油和煤的加工产品等,乙二醇,乙二醇60%的水溶液的凝固点为-40，所以可用作冬季汽车散热器的防冻剂。,用途广泛，可用来合成“涤纶”（的确良）等高分子化合物，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。,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。,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（atom economy）: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：一种理想的(最终是实效的)合成是指用简单的、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,与有机合成有关：31项,1.2 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（HNIW）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殊性能的分子，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（1944年）可的松（1951）马钱子碱（1954）利血平（1958）叶绿素（1960）四环素（1962）头孢菌素C（1965）前列腺素F2（1973）维生素B12（1973）红霉素（1981）,.1948年从动物肝脏中提取出.1954年用X-ray确定结构.Woodward 1965年提出二茂铁夹心结构，获得Nobel 化学奖。.1973年人工合成（14个国家的110名科学家；共51步）,Pure Appl.Chem.1973,33,145.,.合成 结构 性质 理论.合成VB12时，娴熟合成技术，并 指导助手Hofmann研究周环反应时 提出分子轨道对称守恒原理，1981 年，Hofmann 和福井谦一因此获 得Nobel 化学奖.,维生素B12（R=CN）,1981年在 Woodward领导下,红霉素合成成功：,J.Am.Chem.Soc.,1981,103,3210.,18个手性中心,理论上有242144个异构体,erythromycin,1961年开始，E.J.Corey系统建立了逆合成分析方法（Retrosynthetic analysis）：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，Corey获得1990年Nobel 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 海葵毒素（Palytoxin）,C 115，C*64，7个骨架内双键，异构体数 2 7121021 最毒物质 LD50=25ng/kg 哈佛大学Kishi 1989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”-20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,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-牛胰岛素的合成,结晶牛胰岛素,非天然产物的合成-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,有机合成选择生命科学中的重要物质做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,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,各种各样的基元合成反应是现代有机合成的基础。,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：1,2-加成速率快；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。,低温时，反应为速率控制或动力学控制：位取代速率快；高温时，反应为平衡控制或热力学控制，位取代产物更稳定。,1.4.2 有机合成反应的选择性,化学选择：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,选择性还原,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,位置选择：-H的溴代反应,立体选择反应：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,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：计算机的使用；常规文献的查阅方法。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：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：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。,