《有机合成化学》课件2本科有机合成基础知识

1、有机合成化学第二章 有机合成设计的基础知识 要既能扎扎实实地掌握有机合成的技术，又能机动灵活地领会有机合成的策略，首先要全面了解有关有机合成及路线设计的基础知识。 基本知识包括：有机合成的要点、有机合成路线设计的基本方法，有机合成反应的选择性，碳链的官能团化与官能团的转化以及合成子的理论等。有机合成化学 .1有机合成的要点以周期表为依据 以羰基化合物为中心键结（bonding）的方式和键的极性 对等性（Equivalent） 氧化态反应的种类 有机合成化学 .1有机合成的要点以周期表为依据 虽然古老的说法认为有机化学只是、和卤素的化学，但现代有机合成化学已经扩充到周期表中各种元素，进行各种类型

2、的反应。如硼、硅、磷、硫、砷等元素参与的为中心的元素有机化学；卤代烷中的氟代物，无论是单氟代，还是多氟代都有特殊的性质，就形成了有机氟化学。有机金属化学的兴起，不仅在有机化学和有机合成化学方面做出了很大的贡献，而且在无机与有机之间构筑了一座广宽的桥梁。有机合成化学 .1有机合成的要点以羰基化合物为中心:在众多有机基团中，羰基是一种很活泼的基团。很多有机反应都涉及这种基团。如：醛、酮分子之间的羟醛缩合反应，醛被氧化成羧酸衍生物的反应，醛、酮还原成醇的反应，醛、酮转化为含氮化合物的反应等。此类反应在有机合成中居于枢纽地位。有机合成化学 .1有机合成的要点键联（bonding）的方式和键的极性基本的

3、键联方式有两类：碳与碳相联和碳与非碳原子相联（即C-C和C-X）。有机合成化学中的最根本课题：碳骨架的建立和碳与官能团的结合。有机合成中考虑键联时，应以逆推的方法：将键拆开（disconnection of bond）形成两个极性部分，再在合成设计时将这两个极性部分作为两个反应物经合成反应发生键联。 如：要合成-键，就可考虑键的极性是+C-（或是+与N-）。前者可以是常见的卤代烷，而后者可以是常见的胺类。卤代烷与胺作用形成 - 键。 有机合成化学 .1有机合成的要点合成子是指可用于有机反应中的合成单位。对等性（等价性）（Equivalent）有机合成化学 .1有机合成的要点氧化态在有机化学反应

4、中，一个分子中某原子的绝对氧化态并不特别重要，但作用过程中氧化态的变化，即相对的氧化态是很重要的。碳原子在各种不同的状态下，氧化态是不同的，这是有机反应本质的问题。甲烷、乙烷、乙烯、乙炔中碳的氧化态是不同的。有机合成化学 .1有机合成的要点 反应的种类:（i） 骨架和官能团都无变化 有机合成化学 .1有机合成的要点 反应的种类: （ii） 骨架不变，仅官能团变 有机合成化学 .1有机合成的要点 反应的种类: （iii） 骨架变化和官能团不变化有机合成化学 .1有机合成的要点 反应的种类: （iv） 骨架和官能团都变化有机合成化学 2.2 有机合成路线设计的基本方法 要做好有机合成路线设计，除了

5、对有机合成技术要熟练掌握以外，很重要的是要有科学的思维方法，即要有逻辑思维。这方面也有一些固定的原则和成熟的方法。有机合成化学 2.2 有机合成路线设计的基本方法 （1）逆合成法（Retrosynthesis） 合成是指从某些原料出发，经过若干步反应，最后合成出所需的产物。最后产物就是合成目标物，或叫“目标分子”（target molecule，TM）。进行合成路线设计时是从目标分子的结构出发，逐步地考虑，先可由哪些中间体合成目标物，再考虑由哪些原料合成中间体。最后的原料就是“起始物”（starting material，SM）。这种方法就是“逆合成”。合成：逆合成：有机合成化学 2.2 有机

6、合成路线设计的基本方法 （2）分子简化法（Simplication） 有机合成化学 2.2 有机合成路线设计的基本方法 （2）分子简化法（Simplication） 如一个分子有明显的对称性，在考虑它的合成法时就应充分利用其对称性来简化合成方法。有机合成化学 2.2 有机合成路线设计的基本方法 （3） 官能团的置换或消去有机合成化学 2.2 有机合成路线设计的基本方法 （4） 拆解（切断）（Disconnection） 切断是考虑逆合成方法时的主要思路之一。同一目标物可以有几种拆解的方法，就需要加以比较，确定应采用何种合成方法。主要是：合适的拆开部位 键极性的方向(涉及试剂的选用)有机合成化学

7、 2.2 有机合成路线设计的基本方法 （4） 拆解（切断）（Disconnection） 有机合成化学 2.2 有机合成路线设计的基本方法 （4） 拆解（切断）（Disconnection） R-M1. H3O+2.有机合成化学 2.2 有机合成路线设计的基本方法 （4） 拆解（Disconnection） （i） 在-碳的位置上拆开 有机合成化学 2.2 有机合成路线设计的基本方法（ii） 在共有碳原子处拆开 有机合成化学 2.2 有机合成路线设计的基本方法 （4） 拆解（Disconnection） （iii） 避免大环的合成 因为八员以上大环的化合物不易获得，而这方面的化学反应也很少开发

8、，所以解时应尽量避免形成大环的合成基。 当然，随着大环化合物研究的进展，这个原则将会逐渐被修饰。 (IV) 优先断开C-杂原子键a carbon-heteroatom bond is easy to make, since we used such bonds as natural places for disconnections. It is good strategy therefore to make a carbon-heteroatom bond. (V)官能团添加Cl1,3-（5） 合成路线的选择 （设每步反应80%）A BSM线性合成（Linear Synthesis）汇聚式合

9、成(Convergent Synthesis) (并联）A+BA-BC+D C-D A-B-C-D64%A+BA-BA-B-CA-B-C-D 51%C D(串联）原料、反应步骤、选择性、高收率、原子经济性；多步骤合成选择汇聚型路线有机合成化学2.3 有机合成中的选择性与控制一、概念反应的选择性（Selectivity）：是指一个反应可能在底物的不同部位和方向进行，从而形成几种产物时的选择程度。反应的专一性（Specificity）：是指产物与反应物、条件在机理上呈一一对应关系。如：4n 电环化反应，加热顺旋产物，光照对旋产物二、分类反应的选择性按选择方式大致分为三种选择性：1、化学选择性（Ch

10、emoselectivity）不同官能团或处于不同化学环境中的相同官能团区别反应的能力；或一个官能团在同一反应体系中可能生成不同官能团产物的控制情况。反应物的选择a多个官能团反应活性不同2、区域选择性（Regioselectivity）在具有一个不对称的官能团（产生两个不等同的反应部位）的底物上反应，试剂进攻的两个可能部位及生成二个结构异构体的选择情况。反应物的选择b同官能团不同化学环境生成物的选择生成不同官能团3、立体选择性（stereoselectivity）一类是对映选择性（diastereoselectivity） 的控制。第二类是非对映选择性（enantioselectivity）的

11、控制。Chiral Cat. 99 1ee值de值三、选择性反应的底物1、被选择的两方面有质的不同2、被选择的两方面能量上差别大还原亲核试剂 NaBH4 饱和的亲电试剂 BH3 不饱和的季碳原子邻位立体位阻大（Lewis acid）（H-）3、两方面差别很小不易做到满意的选择反应，只能采取分离或改变合成路线来避免这种情况4、被选择的两方面完全相同分子存在对称性，可以选用合适的反应条件和试剂量，或利用部分反应后的中间产物进一步反应活性下降，达到单边反应效果。Murrer, B. A., Brown, J. M. et al Synthesis 1979, 350.四、选择性的控制（一）羟基的选择

12、性反应1、烯丙基及苄基的羟基的选择氧化(1) MnO2 （新制）（二）羰基的选择性反应1、醛酮之间的选择Mehta, G.; Chem. Commun. 1989,1299Reetz, M. T. et al. Chem. Commun. 1983,4062、-不饱和酮和饱和酮之间的选择3、饱和酮之间的选择有机合成化学2.3 有机官能团的引入与转化1 官能团的引入：2 官能团的转化：Reactions of Organometallic Compounds 有机合成化学2.4 各类有机化合物的制备-Preparation of Alkane-1. Hydrogenation of Alkene

13、s 2. Reduction of Alkyl Halides3. Coupling of Alkyl Halides with Organometalic Compounds -Preparation of Alkane-2. Reduction of alkyl halidesExample:Hydrogenation of alkenea) Hydrolysis of Grignard reagentb) Reduction by metal and acidExample:3. Coupling of alkyl halides with organometalic compounds

14、Example:-Preparation of Alkene-1. Dehydrohalogenation of Alkyl Halide2. Dehydration of Alcohols3. Dehalogenationof Vicinal Dihalides4. Reduction of Alkynes-Preparation of Alkene-1. Dehydrohalogenation of alkyl halide Examples:2. Dehydration of alcoholsExamples:3. Dehalogenation of vicinal dihalides

15、Example:4. Reduction of alkynes -Preparation of Alcohol-1. Oxymercuration-Demercuration2. Hydroboration-Oxidation3. GrignardSynthesis4. Hydrolysis of Alkyl Halides5. Hydroxylation of Alkenes-Preparation of Alcohol-1. Hydroxymercuration-demercurataion2. Hydroboration-Oxidation3. Grignard synthesis4.H

16、ydrolysis of alkyl halidesExamples:5. Hydroxylation of alkenes 6. Aldol condensation7. Reduction of carbonyl compounds8. Reduction of acid and esters-Preparation of Halide-1. From Alcohols2. Halogenationof Certain hydrocarbons3. Addition of Hydrogen Halide to Alkenes4. Addition of Halogen to Alkenes

17、 and Alkynes5. Halide Exchange-Preparation of Halide-1. From alcohols Examples:2. Halogenation of certain hydrocarbons Examples:3. Addition of hydrogen halide to alkenes 4. Addition of halogen to alkenes and alkenes 5. Halide exchange-Preparation of Ether-1. Williamson Synthesis2. Alkoxymercuration-

18、Demercuration-Preparation of Ether-1. Williamson synthesisExamples:2. Alkoxymercuration-demercuration-Preparation of Alkylbenzene-1. Friedel-Crafts Alkylation2. Conversion of Side Chain-Preparation of Alkylbenzene-1. Friedel-Crafts alkylationExamples:2. Conversion of side chain -Preparation of Pheno

19、l-1. Hydrolysis of Diazonium Salts2. Alkli Fusion of Sulfonates-Preparation of Phenol-1. Hydrolysis of diazonium salts Example:2. Alkali fusion of sulfonates -Preparation of Amine-1. Reduction of Nitro Compounds2. Reaction of Halides with ammonia or Amines3. Reductive Amination4. Reduction of Nitril

20、es5. Hofmann Degradation of Amides-Preparation of Amine-1. Reduction of nitro compounds Examples:2. Reaction of halides with ammonia or amines Examples:3. Reductive amination Examples:4. Reduction of nitriles Examples:5. Hofmann degradation of amides Examples:-Reaction of Diazonium-Replacement of Ni

21、trogen2. Coupling1. Replacement of nitrogen -Reaction of Diazonium-a) Replacement by -Cl, -Br, -CNExamples:b) Replacement by -I c) Replacement by -Fd) Replacement by -OHe) Replacement by -H2. CouplingExample:-Preparation of Aldehyde & Ketone-Aldehyde1. Oxidation of Primary Alcohols2. Oxidation of Methylbenzene3. Reduction of Acid chlorideKetone1. Oxidation of Secondary Alcohols2. Friedel-Crafts Acylation-Preparation of Aldehyde & Ketone-1. Oxidation of primary alcoholsExample:2. Oxidation of methylbenzene3. Reduction of acid