01第一章有机合成绪论.ppt

1、王鹏 山东科技大学化学与材料工程学院,第一章 绪论,有机合成的定义及任务,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.1 有机合成化学的定义,有机合成（ Organic Synthesis）的定义： 以有机反应为基础和工具，通过合理的路线，由较简单分子得到较复杂分子的过程 有机合成化学是有机化学中最重要的一门三级学科，简单的说就是利用有机化学的反应合成所需要的有机化合物的化学 有机合成区别于有机反应的特点： 强调产率和经济性 强调反应条件的可操作性 强调产物为中心，以“得到”为检验的标准,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.2 有机合成的发展和成就,根据使用的原料和实验方法，可以将有机

2、合成化学的历史可以分为四个阶段： 启蒙阶段（天然产物为原料） 煤及前石油阶段（煤炭及简单石油产品为原料） 石油阶段（石油及其精制品为原料） 新兴时代（新的合成方法和路线） 目前的研究，主要倾向于合成方法学的研究，着重点在于对新试剂、新理论的应用研究上,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.2 有机合成的发展和成就,各个阶段取得的成就和代表： 启蒙阶段：（1828一战前） F. Whler制备的尿素标志着有机合成的开始，H. Kolbe合成了乙酸，并首次采用“Synthesis ” （合成）一词表示制取的过程，从此有了Organic Synthesis的说法 托品酮和手性的(+)-葡萄糖的

3、合成是该阶段合成化合物的典型代表 主要贡献： 通过有机合成获得了对有机物的认识 为有机反应的理论解释奠定了基础,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.2 有机合成的发展和成就,煤及前石油阶段：（一战开始二战结束） H. Fischer合成了氯高铁血红素 Woodward合成了奎宁等一系列天然产物 Robinson一步合成了托品酮 主要贡献： 有机合成促进了基础理论的创建，如芳香共轭理论（19221926）、共振论（1925）、分子轨道理论（1931）等 通过有机合成满足了战争的需要，是支撑德国发到战争的支柱 使人们可以仿造复杂的天然产物,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.2 有

4、机合成的发展和成就,石油阶段：（二战后九十年代） R. B. Woodward小组的一系列天然大分子产物的合成，尤其是维生素B12的人工合成 Corey小组提出了逆合成分析的思想，并用之合成了一百多种复杂天然产物 一系列重要的药物及激素等合成，如青霉素、催产素、前列腺素等 主要贡献： 建立了系统的有机合成方法（ Barton的构象分析法，Corey的逆合成分析法） 大量新化合物的合成完善了有机化学理论,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.2 有机合成的发展和成就,新兴阶段：（九十年代至今） 复杂天然产物从发现到合成的时间大大缩短 合成的成本降低，新试剂和新方法层出不穷 有机合成渗透到化

5、学的各个领域 强调环境友好，原子经济性 主要贡献： 促进了化学的发展，作为独立学科的有机合成几乎不存在，代之以工具化的作用出现于化学的各个二级学科中,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.3 有机合成反应和方法学,有机合成反应是有机合成的基础，只有掌握好各个类型的有机反应才能熟练掌握有机合成 有机合成化学中有机合成方法的研究一直处于重要的地位，新试剂和新合成方法层出不穷 评价新试剂的主要依据是转化率和选择性 评价新方法的依据是收率、操作及环境友好度,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.4 有机合成反应的重要问题,一、速率控制和平衡控制 很多有机反应不能得到单一产物，而是两个或多个

6、产物，以什么产物为主产物取决于反应物比例、温度、酸碱性及强弱等各方面的影响 影响产物的最重要因素是速率和平衡控制，通常，低温主要是速率控制，高温是平衡控制 如1，3-丁二烯的加成：,低温为主,高温为主,Br-,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.4 有机合成反应的重要问题,控制其他反应条件也可以选择性的得到产物 原料比例、催化剂及温度等都可能导致反应得到不同产物，因此需要严格注意反应条件 二、有机合成反应的选择性 相同条件下，由于原料可能具有多个官能团，因此反应可能会得到多个产物的混合体 为了得到希望得到的主要产物，需要考虑化学选择、位置选择和立体选择的问题,王鹏,山东科技大学 化学与

7、环境工程学院,1.4 有机合成反应的重要问题,化学选择： 分子中的多个官能团在反应中可能同时发生反应，此时需要选择合适条件或试剂实现选择性反应，如： 位置选择： 反应试剂在进攻分子发生反应时，受某些因素限制而选择性进攻某一位置的反应，如马氏规则及过氧化物效应,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.4 有机合成反应的重要问题,立体选择： 手性原料在非手性环境中反应时受Cram规则等因素影响，反应出现对映异构过量的现象，该选择多出现在不对称合成中 以上三种选择的出现，使得在合成中尤其需要注意反应条件，如温度、溶剂、反应滴加顺序、催化剂等的选择，以提高主要产物的产率，降低损失,王鹏,山东科技大

8、学 化学与环境工程学院,1.5 有机合成化学的研究方法,有机合成的研究过程通常是利用化学反应的，因此合成的好坏需要实验的检验 有机合成的一般过程： 查阅文献，了解类似合成方法及化合物性质 根据文献设计合理的实验路线 实验合成粗产品 分离，检验纯度并验证产品 改进合成路线，获得更佳的产品,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.6 有机合成的几个问题,实验室合成是工业合成的基础，但不等同于工业合成 工业合成的特点是规模大，注重降低成本。除了考虑反应原理和单元操作之外，还必须考虑整个生产过程的要求，如设备、操作、产物的综合利用、物料和能量的平衡以及是否适合于连续性生产等，而且还要考虑三废处理和

9、环境保护。,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.6 有机合成的几个问题,实验室合成的基础是对目标化合物的分子结构设计，主要包括三个方面的内容： 碳架的建立； 官能团的转化； 立体化学的选择和控制。 其中碳架的建立是设计合成路线的核心，碳架的建立实际上是新的碳-碳键如何形成的问题。碳架的建立不能脱离官能团，因为反应一般在官能团上或其活化点上反应，因此官能团的转换是有机合成的基础，需要熟练掌握,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.6 有机合成的几个问题,通常有机合成路线设计所考虑的一般原则主要有三点： 途径简捷 原料易得 总产率高 实验室合成中更多强调合成收率而不考虑成本，工厂则主

10、要强调保证纯度下的成本 这种不同在体现在很多具体方面： 路线上，工业路线简单而实验室则路线复杂 分离上，工厂蒸馏和重结晶为主，实验室层析为主,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.6 有机合成的几个问题,单就合成角度，合成一个有机化合物常常可以有多种路线，如丙酮的制法： 氧化法： 丙烯氧化： 异丙醇氧化： 异丙苯氧化法： 丙炔水合法： 格氏试剂与乙醛或乙腈反应： 3-丁酮酸脱羧：,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.6 有机合成的几个问题,这说明:有机合成并非只有唯一的答案和路线。即使一个较简单的合成，也往往可从逆推法导出许多不同的中间体，组成许多不同的合成程序，结果得到一个所谓

11、的“合成树”：,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.6 有机合成的几个问题,例：由C3或C3以下有机物合成2-丁酮 由逆推法分析： 合成路线：,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.6 有机合成的几个问题,复杂的合成，其合成树非常巨大，以致于需要使用计算机进行辅助合成 合理选择中间体，选择简短的合成路线，是简化合成的有效手段，对于工业合成，还需要考虑成本、环境等各方面因素 限于成本以及借助逻辑分析可以简化合成树，但逻辑和直觉的基础是了解大多数有机反应并熟悉其反应机理。,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.7 有机合成需掌握的知识,掌握基本的合成原理 离子型反应亲电、亲核反

12、应 酸性条件:重排和反应 碱性条件:碱性的强弱及碱性下的反应 自由基反应引发剂或光照的反应 协同环化反应Diels-Alder等 氧化还原反应 掌握基本的合成技巧实验操作,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.8 有机合成的文献,文献是有机合成工作开展的基础，参考文献按来源分为一次、二次和三次文献： 一次文献：直接（初次）发表合成工作的期刊 国内：有机化学、高等学校化学学报等 国外： JACS 、 JOC、Synthesis等 二次文献：收录期刊摘要的索引性文献 C. A. （Chemistry Abstract） 三次文献：对二次文献的分类整理产物 国内：各种手册、书籍等 国外：Bei

13、lstein、Vogel等,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.8 有机合成的文献,经典的合成方法在三次、二次文献上都可以查到，但具体的操作方法、注意事项一般只在一次文献中记录 进行有机合成前最好查到目标产物相关的文献，若没有则查类似产物的文献，从而为合成奠定基础 一般首先查三次或二次文献，并据此查其一次文献（原始文献）来源 网上数据库的出现使得论文查询简单易行,网络数据库的查询方法： 首先需确定目标产物的名称或商品名或CAS号 以上述为关键词查询，并在结果中寻找有用的信息,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,目标分子/目标化合物： TM (

14、 Target Moleculor ) 切断：将分子中的一个键断开，Disconnection 合成子： Synthon，是抽象出来的合成中间体 切断符号： 逆合成推导符号： 例如：,1.9 基本术语和概念,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,合成子（synthon）：切断时得到的概念性碎片 合成等价物：起合成子作用的试剂，即中间体 FGI：Functional Group Interconversion，官能团转换，把一个官能团转换成另一种官能团,1.9 基本术语和概念,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,1.9 基本术语和概念,FGI的例子： 有机合成的过程就是FGI的过程 常见的切断：,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,切断的选择：,1.9 基本术语和概念,王鹏,山东科技大学 化学与环境工程学院,FGA：Functional Gr