有机合成概述应用化学系叶非课件.ppt

有机合成概述 应用化学系 叶非,参考书目： 1、黄宪 陈振初编著 有机合成化学 化学工业出版社 1983年12月第1版 2、李良助 林垚等编著 有机合成原理和技术 高等教育出版社 1992年05月第1版 3、顾可权 林吉文编著 有机合成化学 上海科学技术出版社 1987年02月第1版 4、张滂 有机合成进展 科学出版社 1992年04月第1版,绪 言,有机合成是表现有机化学家非凡创造力的舞台,1、有机合成是有机化学中最富活力的领域,有机合成化学 是有机化学中最富有活力的分支学科,合成化学家的目的：,1、在实验室内用人工的方法来复制自然界的产物， 用以证明它的结构。,2、根据人们的需要来改造分子结构或创造出全新 的结构。,资料：,1900-2000年：化学合成和分离了2285万种化合物， 其中大部分都是有机合成的产物。,许多天然存在的有机化合物，包括复杂的天然产 物，都可以用有机合成方法制得。,有机合成是有机化学中永不枯竭的研究资源:,* 生命科学: 生物大分子，生物活性分子，生化分析试剂等,* 医药学: 药物，药理、病理分析试剂等,* 农业: 农药、农用化学品等,* 石油: 石油化工产品等,* 材料科学: 高分子化合物，功能材料等,* 食品: 食品添加剂等,* 日用化工: 染料，涂料，化装品等,有机合成是推动有机化学发展的永恒动力：,有机化学家在解决有机合成问题过程中，全面发展了有机化学：化学结构理论，反应理论，合成方法，分离纯化方法，结构鉴定方法等。,2. 有机合成发展历史,推动有机合成的三件大事: 1、尿素的合成(Wohler) 2、有机化合物结构理论的建立 包括：碳的四价和成键和苯的结构(Kekule) 3、碳价键的正四面体构型(vaurHoff）,1856年得到色泽能与天然染料茵红和靛蓝媲美的苯胺紫。,合成了第一个箐染料（照相软片的增感剂）,重要的天然染料茵红(2a）和靛蓝(3b）的工业化合成,（2）1917年，Robinson合成了托品酮。开创了系统 的有机合成方法，反应机制和化学结构关系等 的研究。并第一次开设了有机合成课程。,（3）20世纪50年代NMR技术开始应用于有机化合物 结构测定。,（4）20世纪50-70年代，Woodward合成了利血平， 胆甾醇，维生素B12和红霉素等，将有机合 成发展到前所未有的水平。,（5）20世纪60年代，Merrifield发展了固相合成 技术。,（6）20世纪70年代，Corey发展了手性合成理论和 方法。,（7）1989年，Kishi合成了海葵毒素，被称为是世 纪工程。,（8）20世纪90年代，发展了组合化学合成理论和 技术。,C129H223N3O54, 分子量2680， 64个手性中心， 可能的异构体是271,有结构兴趣的非天然产物的合成,3.有机合成方法学,好的合成反应的评价标准： （1）高的反应产率 （2）温和的反应条件 （3）优异的反应选择性，包括化学选择性、 区域选择性和立体选择性等 （4）易于获得的反应起始原料 （5）尽可能是化学计量反应向催化循环反应发展 （6）对环境污染尽量少,几个基本概念的解释,（1）化学选择性： 试剂对不同官能团的选择性反应。 （2）区域选择性： 试剂对于一个反应体系的不同部位的进攻，也可以是对两个处于不同位置的两个完全相同官能团的选择性进攻。例如：,（3）立体选择性,包括: (1)顺反异构的选择性； (2)对映面的选择性等。,4、有机合成方法研究进展 合成策略及理论 （1）逐步合成法（Stepwise elongation）和片段组合法 (Fragment condensation) 合成一个复杂的大分子化合物，可以采用两种合成途径：,a.从起始原料开始一步一步进行合成的逐步合成法; b.先合成若干片段，最后将各个片段连接成目标分子的片段组合法。 * 在实际的合成中，采用何种策略，则需要进行具体的分析。例如： 多肽合成可以选择肽链逐步增长法，即氨基酸残基是一个一个依次加上去的。另一种是片断组合法，即先合成一些小的肽段，然后再将小肽段偶联成多肽。,两种多肽合成策略比较 （合成一个多肽a-b-c-d-e-f-g-h) 肽链逐渐增长法 片断组合法 gh ab cd ef gh fgh abcd efgh efgh abcdefgh defgh cdefgh bcdefgh abcdefgh 产率: a7 (a8-1) a3 = alog28 （为多肽中氨基酸残基数目）,比较两种合成策略的优缺点： 对于合成分子量不大的多肽，两种方法都可以采用。但是如果要合成分子量大的多肽，则一般应采用片断组合法。例如，合成含有32个氨基酸残基的多肽，如果要求总的产率为30%, 对于片断组合法，则要求每一步的平均产率为78%；而对于肽链逐步增长法，则要求每一步产率为96.2%。,（2）拆分法(Disconnection approach),拆分法是为了解决复杂有机分子全合成的合成路线设计发展起来的一种合成设计理论。它的基本思想是将目标化合物分子拆分成一系列片段，应用化学反应知识，确定每一个片段相对应的起始原料和化学反应。例如：,所有的起始原料确定后，再设计全合成路线。在实施合成时，可以采用逐步合成法或片段组合法进行合成。,（3）计算机辅助有机合成路线设计,a. 化学信息学和化学信息数据库 与有机合成有关常用数据库： * 现有化学品数据库 * 有机化学反应数据库 * 合成方法和转化数据库 * 合成方法参考文献库 * 保护基团数据库 * 杂环合成数据库,b. 应用各种数据库设计合成路线 * 整体设计法： 目标化合物 三维结构 数据处理 搜索（从所选择的数据库中） 修改 可能合成路线 * 分步设计法： 先将目标化合物分解为结构单元，再按数据库提供的信息，一步一步进行设计。,5. 有机合成的展望,与生命科学相结合的有机合成化学 含意： （1） 有机合成选择生命科学中的重要物质作 为合成对象。 （2） 把生物方法用于有机合成。 （3） 二者巧妙结合产生一些全新的分支领域。,DNA合成中的有机合成化学,Example: Noyori等将烯丙基和烯丙氧羰基作为保护基团用于32mer、43mer和60mer的脱氧核酸的合成：烯丙基用于核苷键磷氧键的保护；而烯丙氧羰基则用于碱基氮的保护。,生物技术在有机合成中的应用,随着现代生物技术发展，生物技术在有机合成中的应用越来越引起人们的重视。毫无疑问，生物技术不可能代替传统的有机合成技术，但是，生物技术的引进，将大大扩展人们的视野，丰富了有机合成的内容。,酶学方法 基本原理：某些酶在适当的条件下，具有较广的底物适应性，可以催化非天然底物的反应。 主要反应类型：水解反应、氧化还原反应、缩合反应、重排反应等。 特点：反应条件温和，副反应少，具有优异的立体或区域选择性。,酶在有机合成中的应用： 催化特殊有机合成反应，特别是复杂手性分子的合成。 零污染有机合成。 关键是：酶促反应的底物适应性、反应效率、反应条件。 新发展：有机溶剂中的酶促反应。,酶催化有机化学反应的主要类型 反应类型 酶 底物 产物 水解反应 酯酶 羧酸酯 羧酸、醇 脂肪酶 甘油酯（脂肪） 脂肪酸、甘油 蛋白水解酶 蛋白质,多肽 L-氨基酸,羧酸, 羧酸酯,脂肪 脂肪酸,甘油,醇 淀粉水解酶 淀粉 D-葡萄糖 纤维素酶 纤维素 D-葡萄糖 溶菌酶 细胞壁多糖 N-乙酰胞壁酸、 N-乙酰葡萄糖胺等 环氧化物水解酶 环氧化物 醇 晴水解酶 晴化物 酰胺,羧酸,氧化-还原 脱氢酶(含NAD+) 醇,酚 醛,酮,醌 反应 醛,酮,醌 醇,酚 脱氢酶(含FAD) 含活泼氢烷烃 烯烃 活泼烯烃 烷烃 单加氧酶 烷烃,芳烃,酚 醇,酚 烯烃 环氧化物 双加氧酶 芳烃 酚 二酚 二元羧酸 氧化酶 氨基酸 -酮酸 面包酵母 醇,酚 醛,酮,醌 醛,酮,醌 醇,酚 含活泼氢烷烃 烯烃 活泼烯烃 烷烃 裂合反应 醛缩酶 多元醇 醛和酮 醛和酮 多元醇 卤化和脱卤 卤素过氧化物酶 氯,溴,碘化合物 醇,环 氧化物等,与材料科学相结合的有机合成化学,与有机导体有关的有机合成化学 Exapmle: 聚乙炔类物质,6、未来化学的作用和地位,未来化学在人类生存、生存质量和安全方面将以 新的思路、观念和方式继续发挥核心科学的作用， 保证人类衣食住行需求、提高人类生活水平和健康状 态等方面起了重大作用。,解决食品问题,在设计、合成功能分子和结构材料以及从分子层 次阐明和控制生物过程（如光合作用、动植物生长）的 机理等方面，为研究开发高效安全肥料、饲料和肥料/ 饲料添加剂、农药、农用材料（如生物可降解的农用薄 膜）、生物肥料、生物农药等打下基础。,用化学和生物的方法增加动植物食品的防病有效 成分，提供安全的有防病作用的食物和食物添加剂， 改进食品储存加工方法，以减少不安全因素等。,在能源和资源的合理开发和高效安全利用中,在能源和资源方面，研究高效洁净的转化技术 和控制低品位燃料的化学反应；新能源如太阳能以 及高效洁净的化学电源与燃料电池等都将成为21世 纪的重要能源。,矿产资源是不可再生的，化学要研究重要矿产资 源（如稀土）的分离和深加工技术以及利用。,继续推动材料科学的发展,化学是新材料的“源泉”，任何功能材料都是以功 能分子为基础的，发现具有某种功能的新型结构会 引起材料科学的重大突破（如富勒烯）。 未来化学不仅要设计和合成分子，而且要把这些 分子组装、构筑成具有特定功