第12章近代有机合成方法.ppt

第12章近代有机合成方法 近代有机合成方法是指在较广泛范围内应用的合成方法 如相转移催化反应 微波辐射有机合成 固相有机合成 无溶剂有机合成 声有机合成以及以离子液体为介质的其它有机合成等 这些方法一般来说 对于合成某一产物所用相应的经典方法 具有显著的优点 即提高反应效率 节约能源 提高反应的选择性 减少副反应 改善环境 更具有实用性 是相应的经典方法的补充和发展 相转移催化是上世纪70年代发展起来的一种有机反应新方法 近年来得到迅猛发展 它广泛地应用于有机合成 高分子聚合反应 并渗透到分析 造纸 印染 制革等领域 为制药工业和精细化工带来了可观的经济效益 12 1相转移催化反应 相转移催化剂 phasetransfercatalyst简称PTC 是能够使一些负离子 还有一些正离子或中性分子 从一相转移到另一相的催化剂 相转移催化剂分三大类 即鎓盐 聚醚和高分子载体 鎓盐包括季铵盐 季磷盐 季砷盐和叔硫盐 而聚醚类包括冠醚 穴醚和开键聚醚 季铵盐催化剂具有价格便宜 毒性小等优点 所以得到了广泛的应用 12 1相转移催化反应 12 1 1相转移催化剂 12 1相转移催化反应 12 1 1相转移催化剂 高分子载体催化剂是一种不溶性的固体催化剂 亦称为三相催化剂 用于加速水 有机两相体系反应 该催化剂的高分子部分是有机硅的聚合体或苯乙烯与20 的二乙烯基苯交联的聚苯乙烯 分子中10 的苯环被活性基聚代 活性基大致分为三类 即鎓盐型 冠醚型和共溶剂型 12 1相转移催化反应 12 1 1相转移催化剂 12 1相转移催化反应 12 1 2相转移催化反应原理 PTC的催化反应原理 12 1相转移催化反应 12 1 2相转移催化反应原理 高分子PTC的催化反应原理 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 1 烃基化反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 1 烃基化反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 1 烃基化反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 2 消去反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 2 消去反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 2 消去反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 3 氧化还原反应 相转移催化用于氧化还原反应 能够加速反应进行 增加反应的选择性 显示了一些独特的作用 常用的氧化剂和还原剂多为无机物 如KMnO4 K2Cr2O7 NaOCl H2O2 NaBH4等 它们都是水溶性的 在有机溶剂中的溶解度很小 因此将无机氧化剂的水溶液加入有机物中进行氧化 结果一般不理想 有的甚至几乎没有反应发生 在相转移催化下 这些氧化剂可以借助于催化剂转移到有机相中使氧化还原反应在温和条件下进行 得到高产率的产物 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 3 氧化还原反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 3 氧化还原反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 3 氧化还原反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 4 加成和缩合 式中R1 烷基 芳基 R2 R3 H 烷基 芳基 X Cl Br I 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 4 加成和缩合 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 5 羰基化反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 5 羰基化反应 12 1相转移催化反应 12 1 3相转移催化在有机合成中的应用 6 聚合反应 12 2微波辐射有机合成 微波的频率大致在300MHz 300GHz 即波长在100cm至1mm 100cm 0 1cm 范围内的电磁波 它位于电磁波谱的红外辐射 光波 和无线电波之间 因而只能激发分子的转动能级跃迁 微波应用于合成化学始于1986年Gedye等对微波炉内进行酯化 水解 氧化和亲核取代反应及Giguere等对蒽和马来酸二甲酯的Diels Alder环加成反应的研究 短短十几年时间 微波促进反应的研究已发展成为一门引人注目的全新领域 MORE化学 Microwave InducedOrganicReactionEnhancementChemistry 微波作用下的反应速度比传统的加热方法快数倍甚至上千倍 具有操作方便 产率高及产品易纯化等优点 因此微波有机合成几乎涉及所有类型的有机化学反应 目前 微波有机合成化学的研究主要集中在三方面 第一 微波有机合成反应技术的进一步完善和新技术的建立 第二 微波在有机合成中的应用及反应规律 第三 微波化学理论的系统研究 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 1 酯化反应 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 1 酯化反应 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 2 Diels Alder反应 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 3 重排反应 1 Claisen重排 2 Pinacol重排 表11 2金属离子对Pinacol反应的影响 注 微波450W辐射15min 常规加热100 反应15h 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 3 重排反应 3 炔丙基醇重排反应 4 Fries重排 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 4 Perkin反应 5 Knoevenagel反应 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 6 苯偶姻缩合 7 Wittig反应 8 O 烃基化反应 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 9 N 烷基化 10 C 烷基化反应 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 11 水解反应 12 消去反应 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 13 加成反应 X Me Br Cl I等 X Cl Br EtO等 12 2微波辐射有机合成 12 2 1微波辐射在有机合成中的应用 14 取代反应 15 成环反应 12 2微波辐射有机合成 12 2 2微波促进化学反应机理 关于微波能加速有机反应的原因 目前学术界有两种不同的学术观点 一种观点认为 虽然微波是一种内加热 具有加热速度快 加热均匀 无速度梯度 无滞后效应等特点 但微波应用于化学反应仅仅是一种加热方式 与传统的加热方式一样 对某个特定的反应而言 在反应物 催化剂 产物不变的情况下 该反应动力学不变 与加热方式无关 他们认为 微波用于化学反应的频率245MHz属于非电离辐射 在与分子的化学键发生共振时不可能引起化学键断裂 也不能使分子激发到更高的转动或振动能级 微波对化学反应的加速主要归结为对极性有机物的选择加热 即微波的致热效应 另一种观点认为 微波对化学反应的作用是非常复杂的 一方面是反应物分子吸收了微波能量 提高了分子运动速度 致使分子运动杂乱无章 导致熵增加 另一方面微波对极性分子的作用 迫使其按照电磁场作用方式运动 每秒变化2 45 109次 导致了熵的减小 因此微波对化学反应的机理是不能仅用微波致热效应描述的 微波除了具有热效应外 还存在一种不是由温度引起的非热效应 微波作用下的有机反应 改变了反应动力学 降低了反应活化能 他们认为微波存在非热效应 并在反应中起作用 12 3固相合成法和组合合成 12 3 1固相合成法 所谓固相合成法 Solid phaseSynthesis 就是把底物或催化剂锚合在某种固相载体上再与其它试剂反应 生成的化合物连同载体过虑 淋洗与试剂 副产物分离 这一过程可以重复多次以制备具有多个重复单元或不同单元的复杂化合物 最后将最终产物从载体上解脱下来 固相合成所用的载体 一般是由1 2 的二乙烯基苯和苯乙烯共聚生成的低交联度的聚苯乙烯树脂 在树脂的苯环上引入氯甲基 氨基 羟基等以便与底物结合 12 3固相合成法和组合合成 12 3 1固相合成法 1 多肽固相合成 12 3固相合成法和组合合成 12 3 1固相合成法 1 多肽固相合成 12 3固相合成法和组合合成 12 3 1固相合成法 2 固相一般有机合成 12 3固相合成法和组合合成 12 3 1固相合成法 2 固相一般有机合成 12 3固相合成法和组合合成 12 3 1固相合成法 2 固相一般有机合成 12 3固相合成法和组合合成 12 3 1固相合成法 2 固相一般有机合成 R n Bu i Bu i Pr Bn p MeOBn Ph etal 总收率60 90 12 3固相合成法和组合合成 12 3 1固相合成法 2 固相一般有机合成 12 3固相合成法和组合合成 12 3 1固相合成法 2 固相一般有机合成 反应条件 a RCOCl Py DMF b NaH DMF EI 亲电试剂 组分 c RNCO DMF d MeI THF e 5 TFA CH2Cl2 重氮盐型无痕迹合成 无痕迹 traceless LinKer的定义是 裂解后在产物分子的裂解位置上只有C H键 C C键或C X键生成 没有LinKer中含杂原子的结构留在产物结构中 12 3固相合成法和组合合成 12 3 2组合合成法 组合化学的方法有许多种 按照反应的不同 可以分为液相中的组合合成法和固相中的组合合成法 组合化学 CombinatorialChemistry 又称组合合成 是一种合成大量化合物策略的一种方法 可以定义为平行 系统 反复地共价连接不同结构的 构建单元 buildingblocks 迅速得到大量化合物 以进行高通量筛选的一种策略与方法 组合合成速度的实现在于摒弃了许多在合成中被固守的规则 即把所有化合物和中间体完全纯化与表征的规则 取而代之的是使用可靠的化学反应以及简单而有效的纯化方法 在传统的化学中 化合物被单独制备 在组合化学中 起始原料范围内所有产物都有制备的潜在机会 传统化学与组合化学对比可以用下图表示 12 4其它合成方法 12 4 1无溶剂反应 无溶剂反应包括作用物在负载混合物存在下进行的反应和作用物不须负载混合物直接进行的反应 它们又称干反应 前者通常以无机固体如三氧化二铝 硅胶等为介质 只需把负载混合物于适当温度下放置 间或振动即可 操作十分简便 后者把固体作用物 固 液作用物 在玛瑙乳钵中研磨或在反应瓶中加热即可 操作也很方便 产物均可用溶剂萃取或用柱层析分离 后处理亦很方便 12 4其它合成方法 12 4 1无溶剂反应 1 烷基化反应 1 C 烷基化 456 表11 3乙酰乙酸乙酯烷基化产物分布 12 4其它合成方法 12 4 1无溶剂反应 1 烷基化反应 2 硫 烷基化 2 酰化反应 12 4其它合成方法 12 4 1无溶剂反应 3 缩合反应 12 4其它合成方法 12 4 1无溶剂反应 4 加成反应 12 4其它合成方法 12 4 1无溶剂反应 5 氧化反应 表11 4酮的Baeyer Villiger固态氧化 12 4其它合成方法 12 4 2声化学反应 超声波是一种高能量的激励源 频率范围在16KHz 5MHz或500MHz 多数化学反应在液相中进行 常用超声波的能量在20KHz 10MHz范围 超声波能使化学反应加速 主要是它的 空穴效应 即肉眼难以观察到的小汽泡或空穴 12 4其它合成方法 12 4 2声化学反应 1 醛羰基反应 2 碳 碳双键的反应 12 4其它合成方法 12 4 2声化学反应 3 偶联反应 4 还原反应 12 4其它合成方法 12 4 2声化学反应 5 加成反应 6 取代反应 7 金属有机反应 12 4其它合成方法 12 4 3离子液体 离子液体又称室温熔融盐 室温下不发生结晶 早在1914年就首次合成了离子液体 EtNH3 NO3 到了20世纪80年代 Magnuson等研究了 EtNH3 NO3 作为反应溶剂的性质 其后人们合成了更多的离子液体并考查了它们作为有机溶剂的替代品在有机反应中的应用 开拓了绿色合成的新领域 离子液体基本上可以分为三类 即AlCl3型离子液体 非AlCl3型离子液体和其他特殊的离子液体 由于AlCl3型离子液体的化学稳定性和热稳定性差 我们主要介绍非AlCl3型离子液体 特别是含咪唑杂环和吡啶杂环的离子液体 12 4其它合成方法 12 4 3离子液体 1 离子液体的命名 离子液体的命名 用系统命名法名称太长 所以通常用标记法 正离子的标记 N N 或1 3 取代的咪唑离子记为 R1R2im N 乙基 N 甲基咪唑阳离子记为 emim 如果咪唑环的2 位上还有取代基则记为 R1R2R3im 吡啶环氮原子上有取代基R记为 RPy 一般季铵盐离子如二甲基乙基丁基铵记为 N1124 以咪唑和吡啶为基体的离子液体如1 丁基 3 甲基咪唑四氟化硼 bmim BF4 1 丁基 3 甲基咪唑六氟化磷 bmim PF6 正 丁基吡啶四氯化铝 n bPy AlCl4 12 4其它合成方法 12 4 3离子液体 2 离子液体的结构及其特性 常用的离子液体其结构基本上由杂环阳离子和无机阴离子所构成 含杂环阳离子咪唑和吡啶都是具有芳环性的环状结构 咪唑阳离子是咪唑环上3 位氮原子的孤对电子与H 或R 结合所形成的一种特殊季铵盐 由于有大 键 正电荷分散在整个环上 1 3 位的氮原子变为等同 在环的2 4 5位的碳原子上也可以有取代基 当吡啶环上氮原子的孤对电子与H 或R 结合时 形成吡啶盐 由于存在大 键 正电荷被分散到整个环上 离子液体的阴离子主要有 BF4 PF6 OTf CF3SO3 NTf2 N CF3SO2 2 CP3COO CTf3 C CF3SO2 3 C3H7COO PO4 等 它们的化学结构 BF4 氟硼酸阴离子 硼原子为SP3等性杂化 分别与氟原子形成四个 键 呈正四