现代有机合成方法与技术第七章-有机合成控制方法与策略课件

第七章有机合成控制方法与策略

2010.11.21第七章有机合成控制方法与策略2010.11.21Contents有机合成选择性的利用

有机合成中导向基的应用

潜在官能团(Latentfunctionalgroups)及应用

重排反应的利用

合成路线的优化

Contents有机合成选择性的利用有机合成中导向基的应用7.1有机合成选择性的利用化学选择性不同官能团的选择性处于不同化学环境的相同官能团的选择性两个完全相同的官能团的选择性区域选择性(Regioselectivity)烯烃的区域选择性反应芳香化合物的区域选择性取代反应

酮的区域选择性反应

Diels-Alder反应的区域选择性α,β-不饱和羰基化合物的区域选择性

立体选择性(Stereoselectivity)与立体专一性(Stereosepcificity)通过消除得到烯烃或烯烃的加成反应的立体选择性叁键还原为双键的顺/反选择性控制Diels-Alder反应的立体选择性

7.1有机合成选择性的利用化学选择性化学选择性化学选择性：不同官能团在相同反应条件下区别反应的能力化学选择性：相同官能团在相同反应条件下区别反应的能力NaBH4可与-不饱和酯类及腈类化合物进行1，4-还原，得到饱和酯类或腈类；与,-不饱和醛或酮化合物进行1，2-还原，尤其在CeCl3催化下，生成烯丙醇。化学选择性化学选择性：化学选择性：NaBH4可与选择性还原反应：

不同官能团的选择还原

选择性还原反应：

不同官能团的选择还原现代有机合成方法与技术第七章-有机合成控制方法与策略课件不同环境下的相同官能团的选择性（选择性氧化反应）：1.KMnO4的氧化反应选择性差，制备醛酮时用处不大；2.MnO2具有较好的选择性，特别对烯丙位或苄基位的羟基的氧化具有优先性；MnO2不氧化饱和羟基，不氧化双键、叁键，只氧化烯丙位醇羟基，将不饱和伯醇氧化为醛。3.CrO3/Ac2O,CrO2Cl2/CCl4，将苯环上的甲基氧化为醛基；CrO3/tBu3OH或吡啶将伯醇氧化为醛基4.Pb(OAc)4和NaIO4氧化邻二醇为二醛或二酮5.OsO4/I2-AgOAc-H2O氧化烯烃为顺式邻二醇不同环境下的相同官能团的选择性（选择性氧化反应）：完全相同基团的选择性：完全相同基团的选择性：区域选择性1.酮的区域选择性反应例合成区域选择性1.酮的区域选择性反应例合成2.Diels-Alder反应的区域选择性

3.α,β-不饱和羰基化合物的区域选择性

两种加成反应的取向取决于α,β-不饱和化合物和亲核试剂(Nu)两方面的因素。通常α,β-不饱醛和酰氯倾向于直接加成（1,2-加成），而相应的酮和酯多半倾向于迈克尔加成（1,4-加成）；强碱性亲核试剂如RLi,NH2-,RO-,H-等倾向于直接加成，弱碱性亲核试剂如RMgBr,RS-,RNH2及稳定碳负离子倾向于迈克尔加成。另外，催化剂的作用也不可小视，而且是很有效的办法。2.Diels-Alder反应的区域选择性3.α,例如：例如：立体选择性（stereoselectivity）与立体专一性（Stereospcificity）立体选择性（stereoselectivity）反应指凡是反应机理能提供两条可供选择的、化学上等同的途径，以便能够选择最有利的途径（动力学控制）或生成最稳定产物（热力学控制）的方式进行的反应。立体专一性（Stereospcificity）反应指那些凡是机理要求生成一种特定立体化学结构的反应，不管生成的这种产物是否稳定，立体专一性反应的产物一定要生成。立体选择性（stereoselectivity）与立体专一性现代有机合成方法与技术第七章-有机合成控制方法与策略课件顺式顺加得赤式，反式顺加得苏式；顺式反加得苏式，反式反加得赤式。

赤式反消得反式，苏式反消得顺式；赤式顺消得顺式，苏式顺消得反式。

顺式顺加得赤式，反式顺加得苏式；顺式反加得苏式，反式反加得赤例：例：7.2有机合成中导向基的应用活化导向基钝化导向基阻断基（BlockingGroup）保护基

7.3潜在官能团（Latentfunctionalgroups）及应用烯烃作为潜在官能团羰基作为潜在官能团杂环化合物作为潜在官能团

7.2有机合成中导向基的应用活化导向基7.3潜在官能团（L总结：烯烃是邻二醇、环氧烷、醛酮甚至是羧酸的潜在官能团潜在官能团：原料（或底物）分子中包含一种低活性的官能团，预计此低活性官能团在其它部位发生反应后最终会转化为目标官能团。这个低活性的官能团叫做潜在官能团由潜在官能团到目标官能团的过程叫做展示潜在官能团法优先着眼于目标分子中的官能团，而不是骨架。潜在官能团应具备下列条件：（1）原料易得（2）反应活性低，对尽可能多的试剂保持稳定（3）能经选择性或专一性反应展示出来且条件要温和（4）可作为一个以上目标官能团的潜在者（即多重潜在官能团）总结：潜在官能团：原料（或底物）分子中包含一种低活性的官能团例：呋喃作为1，4-二酮的潜在官能团吡咯作为1，3-丁二烯的潜在官能团合成分析例：呋喃作为1，4-二酮的潜在官能团吡咯作为1，3-丁二烯的例1分析：合成：例2例1分析：合成：例27.4重排反应的利用频呐醇(Pinacol)重排Arndt-Fistert重排Hoffmann重排Beckmann重排Claisen重排Cope重排1.频呐醇(Pinacol)重排7.4重排反应的利用频呐醇(Pinacol)重排1.迁移速率：芳基>烃基供电基取代的芳基迁移能力增大其实重排的方向主要取决于羟基失去的难易，一般是比较羟基离去后生成的碳正离子的稳定性：叔碳>仲碳>伯碳，这与基团迁移能力无关迁移速率：芳基>烃基现代有机合成方法与技术第七章-有机合成控制方法与策略课件2.Arndt-Fistert重排

由羧酸通过下列反应获得高一级羧酸同系物的方法称Arndt-Eistert重排。得到多一个碳的羧酸3.Favorskii反应（用于缩环）2.Arndt-Fistert重排由羧酸通过下列反应获得4.Hofmann重排未取代酰胺经溴在碱溶液中处理，脱去羰基生成少一个碳的伯胺的反应称之为Hofmann重排。关于Hofmann重排反应机理：曾有三个实验（1）a位的手性碳原子构型保持不变，说明迁移基团不是以离子形式而是与离去基团协同发生重排的；（2）芳酰胺重排时，芳环上推电子基存在使重排反应速率增加相反吸电子基使重排反应速率减小，说明反应方式不是离子方式；（3）使用同位素标记苯甲酰胺上的N和间位上的D,发现产物没有分子内的交叉重排，说明反应是协同反应，而非离子反应Curtius重排反应4.Hofmann重排未取代酰胺经溴在碱溶液中处理，脱去羰5.Beckmann重排酮肟在PCl3等酸性催化剂作用下重排，转变为取代酰胺的反应称为贝克曼重排反应。生成的酰胺又能进一步被水解为相应的胺。贝克曼反应表示为：反应机理:注意：烃基的迁移是立体专一性的，即处于肟羟基反位上的烃基才能迁移；如果迁移基团具有手性，其构型在产物中得以保留;贝克曼重排是分子内协同过程；R和R’通常是烷基或芳基，氢的迁移少见，且芳基比烷基优先迁移；催化剂有：Cu、Ni(R)、Ni(AC)2/BF3、Cl3COOH、PCl5、H3PO4等。5.Beckmann重排酮肟在PCl3等酸性催化剂作用下重6.Baeyer-Villiger重排用有机过氧酸将酮氧化为酯的过程，机理涉及一个缺电子氧原子，首先过氧酸向羰基加成，生成的中间体涉及酸根负离子的离去和烃基的迁移的协同重排。例：6.Baeyer-Villiger重排用有机过氧酸将酮氧化7.Claisen重排

烯醇或酚的烯丙基醚加热，通过[3，3]σ迁移，重排成γ，δ-不饱和醛、酮或邻烯丙基酚的反应称Claisen重排。例如化合物合成：分析：7.Claisen重排烯醇或酚的烯丙基醚加热，通过[3，8.Cope重排1，5-二烯（即双烯丙基衍生物）加热，经过[3，3]σ迁移，发生异构化得到另一双烯丙基衍生物的反应，称为Cope重排。例：8.Cope重排1，5-二烯（即双烯丙基衍生物）加热，经过7.5合成路线的优化合成效率反应次序的合理安排易得起始原料的策略反应条件与实验操作

合成效率与所用反应有直接的关系，与合成路线的长短和方式也有关系。合成路线的方式有直线式与汇聚式两种。直线式（Linearsynthesis）从原料到产物是以线性合成的方式发生的；汇聚式(Convergentsynthesis)是先以直线式合成中间体，然后再汇聚成最终的目标分子的一种合成方式如图表示：直线式合成：汇聚式合成：7.5合成路线的优化合成效率合成效率与所用反应在多步反应合成中，反应次序应遵循下列几条原则：（1）产率低的反应尽可能安排在前面。例如产率分别为50%、80%、90%的三步反应从数学角度看其总收率是相同的。即：50%×80%×90%=90%×80%×50%。但是，从生产成本核算来看，左边合成顺序的成本比右边合成顺序的成本低。如果将产率低的反应放在合成路线的末尾，放在前面的、产率较高的反应产物在作为最后一步反应的原料时，必定会有更大的损失。这样降低了合成效率，是不可取的。（2）难度较大的反应要安排在合成路线的早期阶段，即先难后易的原则。原因是这样可以使整个合成路线中处理量和工作量减少，节约人力物力。（3）将价格高的原料尽可能安排在后期阶段。制备同样量的目标化合物，价格高的原料使用的越晚，其总成本就越低。（4）安排反应次序时应考虑前面的反应是否有利于后面反应的进行。例如，反应次序合理安排在多步反应合成中，反应次序应遵循下列几条原则：反应次序合理安路线a几乎不可取，因为先氯甲基化后在硝化，氯甲基会被硝酸氧化而破坏。二路线b却能给出高产率路线a几乎不可取，因为先氯甲基化后在硝化，氯甲基会被硝酸氧化易得起始原料的策略

易得起始原料的策略现代有机合成方法与技术第七章-有机合成控制方法与策略课件举例例1例2举例例1例2例3例4例5例3例4例5例6这些均为易得原料例7例6这些均为易得原料例7

反应条件与实验操作

前面已提到，收率是衡量一个合成反应优劣的重要标准之一。但是，在工业上有时也未必如此，相反，若中间试验的反应条件易于波动，则工业上却难以接受。在有机合成反应中有两种极端的类型，即平顶型和尖顶型，见图7.3：尖顶型反应要求的条件非常苛刻，条件稍有波动便会使产率下降，这种反应在实验室操作是可以接受的，但在工业上由于技术或操作原因更希望选用平顶型反应，因为平顶型反应即使条件有点差异合成产率也不会受到严重影响。

此外，在温和条件下进行合成反应是现代有机合成方法所追求的目标之一。温和的反应条件应该是：温度最好在室温，介质最好是中性，压力最好在常压下，也就是希望合成反应尽可能与生化过程相近。另外，在水介质中进行合成也是改进反应条件的一个方向。这是绿色合成的追求的。一个理想的合成路线，一方面要看合成条件是否温和易控或工业上是否可行，另一方面后处理是否方便有效。此外，操作是否安全也是非常重要的。反应条件与实验操作前面已提到，收率是衡量一个合成反应优劣ThankYou!AddyourcompanysloganThankYou!Addyourcompanysl第七章有机合成控制方法与策略

2010.11.21第七章有机合成控制方法与策略2010.11.21Contents有机合成选择性的利用

有机合成中导向基的应用

潜在官能团(Latentfunctionalgroups)及应用

重排反应的利用

合成路线的优化

Contents有机合成选择性的利用有机合成中导向基的应用7.1有机合成选择性的利用化学选择性不同官能团的选择性处于不同化学环境的相同官能团的选择性两个完全相同的官能团的选择性区域选择性(Regioselectivity)烯烃的区域选择性反应芳香化合物的区域选择性取代反应

酮的区域选择性反应

Diels-Alder反应的区域选择性α,β-不饱和羰基化合物的区域选择性

立体选择性(Stereoselectivity)与立体专一性(Stereosepcificity)通过消除得到烯烃或烯烃的加成反应的立体选择性叁键还原为双键的顺/反选择性控制Diels-Alder反应的立体选择性

7.1有机合成选择性的利用化学选择性化学选择性化学选择性：不同官能团在相同反应条件下区别反应的能力化学选择性：相同官能团在相同反应条件下区别反应的能力NaBH4可与-不饱和酯类及腈类化合物进行1，4-还原，得到饱和酯类或腈类；与,-不饱和醛或酮化合物进行1，2-还原，尤其在CeCl3催化下，生成烯丙醇。化学选择性化学选择性：化学选择性：NaBH4可与选择性还原反应：

不同官能团的选择还原

选择性还原反应：

不同官能团的选择还原现代有机合成方法与技术第七章-有机合成控制方法与策略课件不同环境下的相同官能团的选择性（选择性氧化反应）：1.KMnO4的氧化反应选择性差，制备醛酮时用处不大；2.MnO2具有较好的选择性，特别对烯丙位或苄基位的羟基的氧化具有优先性；MnO2不氧化饱和羟基，不氧化双键、叁键，只氧化烯丙位醇羟基，将不饱和伯醇氧化为醛。3.CrO3/Ac2O,CrO2Cl2/CCl4，将苯环上的甲基氧化为醛基；CrO3/tBu3OH或吡啶将伯醇氧化为醛基4.Pb(OAc)4和NaIO4氧化邻二醇为二醛或二酮5.OsO4/I2-AgOAc-H2O氧化烯烃为顺式邻二醇不同环境下的相同官能团的选择性（选择性氧化反应）：完全相同基团的选择性：完全相同基团的选择性：区域选择性1.酮的区域选择性反应例合成区域选择性1.酮的区域选择性反应例合成2.Diels-Alder反应的区域选择性

3.α,β-不饱和羰基化合物的区域选择性

两种加成反应的取向取决于α,β-不饱和化合物和亲核试剂(Nu)两方面的因素。通常α,β-不饱醛和酰氯倾向于直接加成（1,2-加成），而相应的酮和酯多半倾向于迈克尔加成（1,4-加成）；强碱性亲核试剂如RLi,NH2-,RO-,H-等倾向于直接加成，弱碱性亲核试剂如RMgBr,RS-,RNH2及稳定碳负离子倾向于迈克尔加成。另外，催化剂的作用也不可小视，而且是很有效的办法。2.Diels-Alder反应的区域选择性3.α,例如：例如：立体选择性（stereoselectivity）与立体专一性（Stereospcificity）立体选择性（stereoselectivity）反应指凡是反应机理能提供两条可供选择的、化学上等同的途径，以便能够选择最有利的途径（动力学控制）或生成最稳定产物（热力学控制）的方式进行的反应。立体专一性（Stereospcificity）反应指那些凡是机理要求生成一种特定立体化学结构的反应，不管生成的这种产物是否稳定，立体专一性反应的产物一定要生成。立体选择性（stereoselectivity）与立体专一性现代有机合成方法与技术第七章-有机合成控制方法与策略课件顺式顺加得赤式，反式顺加得苏式；顺式反加得苏式，反式反加得赤式。

赤式反消得反式，苏式反消得顺式；赤式顺消得顺式，苏式顺消得反式。

顺式顺加得赤式，反式顺加得苏式；顺式反加得苏式，反式反加得赤例：例：7.2有机合成中导向基的应用活化导向基钝化导向基阻断基（BlockingGroup）保护基

7.3潜在官能团（Latentfunctionalgroups）及应用烯烃作为潜在官能团羰基作为潜在官能团杂环化合物作为潜在官能团

7.2有机合成中导向基的应用活化导向基7.3潜在官能团（L总结：烯烃是邻二醇、环氧烷、醛酮甚至是羧酸的潜在官能团潜在官能团：原料（或底物）分子中包含一种低活性的官能团，预计此低活性官能团在其它部位发生反应后最终会转化为目标官能团。这个低活性的官能团叫做潜在官能团由潜在官能团到目标官能团的过程叫做展示潜在官能团法优先着眼于目标分子中的官能团，而不是骨架。潜在官能团应具备下列条件：（1）原料易得（2）反应活性低，对尽可能多的试剂保持稳定（3）能经选择性或专一性反应展示出来且条件要温和（4）可作为一个以上目标官能团的潜在者（即多重潜在官能团）总结：潜在官能团：原料（或底物）分子中包含一种低活性的官能团例：呋喃作为1，4-二酮的潜在官能团吡咯作为1，3-丁二烯的潜在官能团合成分析例：呋喃作为1，4-二酮的潜在官能团吡咯作为1，3-丁二烯的例1分析：合成：例2例1分析：合成：例27.4重排反应的利用频呐醇(Pinacol)重排Arndt-Fistert重排Hoffmann重排Beckmann重排Claisen重排Cope重排1.频呐醇(Pinacol)重排7.4重排反应的利用频呐醇(Pinacol)重排1.迁移速率：芳基>烃基供电基取代的芳基迁移能力增大其实重排的方向主要取决于羟基失去的难易，一般是比较羟基离去后生成的碳正离子的稳定性：叔碳>仲碳>伯碳，这与基团迁移能力无关迁移速率：芳基>烃基现代有机合成方法与技术第七章-有机合成控制方法与策略课件2.Arndt-Fistert重排

由羧酸通过下列反应获得高一级羧酸同系物的方法称Arndt-Eistert重排。得到多一个碳的羧酸3.Favorskii反应（用于缩环）2.Arndt-Fistert重排由羧酸通过下列反应获得4.Hofmann重排未取代酰胺经溴在碱溶液中处理，脱去羰基生成少一个碳的伯胺的反应称之为Hofmann重排。关于Hofmann重排反应机理：曾有三个实验（1）a位的手性碳原子构型保持不变，说明迁移基团不是以离子形式而是与离去基团协同发生重排的；（2）芳酰胺重排时，芳环上推电子基存在使重排反应速率增加相反吸电子基使重排反应速率减小，说明反应方式不是离子方式；（3）使用同位素标记苯甲酰胺上的N和间位上的D,发现产物没有分子内的交叉重排，说明反应是协同反应，而非离子反应Curtius重排反应4.Hofmann重排未取代酰胺经溴在碱溶液中处理，脱去羰5.Beckmann重排酮肟在PCl3等酸性催化剂作用下重排，转变为取代酰胺的反应称为贝克曼重排反应。生成的酰胺又能进一步被水解为相应的胺。贝克曼反应表示为：反应机理:注意：烃基的迁移是立体专一性的，即处于肟羟基反位上的烃基才能迁移；如果迁移基团具有手性，其构型在产物中得以保留;贝克曼重排是分子内协同过程；R和R’通常是烷基或芳基，氢的迁移少见，且芳基比烷基优先迁移；催化剂有：Cu、Ni(R)、Ni(AC)2/BF3、Cl3COOH、PCl5、H3PO4等。5.Beckmann重排酮肟在PCl3等酸性催化剂作用下重6.Baeyer-Villiger重排用有机过氧酸将酮氧化为酯的过程，机理涉及一个缺电子氧原子，首先过氧酸向羰基加成，生成的中间体涉及酸根负离子的离去和烃基的迁移的协同重排。例：6.Baeyer-Villiger重排用有机过氧酸将酮氧化7.Claisen重排

烯醇或酚的烯丙基醚加热，通过[3，3]σ迁移，重排成γ，δ-不饱和醛、酮或邻烯丙基酚的反应称Claisen重排。例如化合物合成：分析：7.Claisen重排烯醇或酚的烯丙基醚加热，通过[3，8.Cope重排1，5-二烯（即双烯丙基衍生物）加热，经过[3，3]σ迁移，发生异构化得到另一双烯丙基衍生物的反应，称为Cope重排。例：8.Cope重排1，5-二烯（即双烯丙基衍生物）加热，经过7.5合成路线的优化合成效率反应次序的合理安排易得起始原料的策略反应条件与实验操作

合成效率与所用反应有直接的关系，与合成路线的长短和方式也有关系。合成路线的方式有直线式与汇聚式两种。直线式（Linearsynthesis）从原料到产物是以线性合成的方式发生的；汇聚式(Convergentsynthesis)是先以直线式合成中间体，然后再汇聚成最终的目标分子的一种合成方式如图表示：直线式合成：汇聚式合成：7.5合成路线的优化合成效率合成效率与所用反应在多步反应合成中，反应次序应遵循下列几条原则：（1）产率低的反应尽可能安排在前面。例如产率分别为50%、80%、90%的三步反应从数学角度看其总收率是相同的。即：50%×80%×90%=90%×80%×