03第一章 材料合成化学的热点及研究进展 12 有机合成化学(续).ppt

1、材料化学，1.2有机合成化学，高张力合成复杂的天然产物和非天然产物是基于某些合成方法。1.2.2有机合成方法学的研究进展。20世纪50年代以前，许多合成方法都来源于对天然产物降解的深入研究。如今，有机化学家可以从逻辑思维的理性角度分析和设计目标分子的合成策略和具体的合成手段。1.2有机合成化学，第1章：材料合成化学的进展和研究重点。当开发一种有用的合成方法时，有机合成化学经常不得不考虑以下问题：(1)产率；(2)反应条件；(3)反应选择性(包括化学、区域和立体选择性)；(4)反应原料的来源；(5)尽可能使化学计量反应向催化循环发展；(6)环境污染。1.2有机合成化学，第1章：材料合成化学的进展

2、和研究重点，温和的反应条件，优良的选择性和催化反应往往是目前有机合成化学家关注的焦点。因为解决这些问题意味着高产和低污染。化学选择性化学选择性主要指试剂对不同官能团的选择性反应。在有机合成中，通常需要转化、引入或去除各种官能团，因此化学选择性在多步合成或多官能团化合物的反应中非常重要。化学选择性包括选择性还原反应、选择性氧化和高选择性保护基团。1.2有机合成化学，第一章是材料合成化学的进展和研究重点。在FuhrhopPenzlin所著的有机合成一书中，对于各种还原剂与不同官能团反应的难易程度给出了一个相对清晰的关联表。还应该注意胡德利的专著。关于这一点还有许多其他文献。(1)选择性还原反应已被

3、大量研究。目前，大多数还原方法已经建立，并且是有效和成熟的。1.2有机合成化学，第一章是材料合成化学的进展和研究重点，以及(2)选择性氧化反应，它远不如还原反应彻底。尽管FuhrhopPenzlin的有机合成一书也有类似于还原反应的相关图表，但氧化剂的选择性通常很差，试剂体系只能根据底物的不同特性进行仔细研究。目前，选择性氧化仍侧重于不同醇类的氧化和氧化程度的控制。例如，人们在硅胶上附着硝酸铜或高锰酸钾，它可以选择性地将仲醇和苯甲醇氧化成酮和苯甲醛，但对分子中的伯醇没有影响。1.2有机合成化学，第一章是材料合成化学的进展和研究重点，相反，没有多少试剂完全不受伯醇和仲醇氧化的影响。据文献报道，第

4、一批成功的试剂是：(1)次氯酸钠四甲基六氢吡啶n氧化物；(2)二氯化钙三苯基氧化膦苯；(3)二氢茂锆催化的Oppenaner氧化。为了控制氧化程度，最重要的是醇不会被进一步氧化成醛或酮。有许多这样的试剂，但值得一提的是二甲基亚砜(DMSO)氧化系统是由草酰氯激活的。1.2有机合成化学，第1章，材料合成化学的进展和研究重点，高选择性保护基团在有机合成中非常重要，特别是在复杂多功能化合物的合成中。例如，在海葵毒素的合成中，基团保护尤为重要。海葵毒素分子中有一个碳基团、一个氨基和41个羟基。Kishi合成小组选择了8个不同的保护基，在合成了具有保护基的海葵毒素后，这些保护基被依次去除，最终以35的高

5、收率去除了8种42个保护基。(3)基团的选择性保护，(1.2)有机合成化学，第1章：材料合成化学的进展和研究重点，羟基保护是有机合成中常用的合成技术。传统保护方法：烯基醚(如乙基乙烯基醚)法方便，但脱保护条件苛刻；用三甲基硅醚法后，这个问题可以解决，但三甲基硅醚对质子溶剂太不稳定，限制了它的应用。后来发现二甲基叔丁基硅氧烷的稳定性比三甲基硅氧烷高近10000倍。此外，保护基对水中的氧化、氢解和其他温和还原稳定，保护后可在室温下被氟离子去除。中国有机合成工作者报道了醛-碳基团的选择性保护，从而实现了同一分子中低活性酮-碳基团的反应，同时保护醛基不受影响。1.2有机合成化学，2)区域选择性，第1章

6、材料合成化学的进展和研究热点，区域选择性：它是指试剂对反应体系不同部分的攻击，也可以是对不同位置两个相同官能团的选择性攻击。这里有一些成熟的例子，可以作为常规介绍。(1)烯丙基系统的区域选择性攻击，不同条件下取代的乙酸烯丙酯与丙二酸二甲酯钠盐之间的区域选择性反应，图1-5-烯丙基系统的区域选择性攻击，1.2有机合成化学，第1章，材料合成化学的进展和研究重点，当没有金属有机物时，只发生传统的烷基化反应(溴被取代)；当使用不同的过渡金属有机物时，由于烯丙基位点的活化，分别发生两种不同的反应()。中国有机合成工作者卢希言就用这种方法合成了烯丙基膦酸。1.2有机合成化学，第一章，材料合成化学的进展和研

7、究重点，(2)不饱和酮体系的选择性攻击，亲核试剂对-不饱和羰基化合物的攻击，无论发生1，2-亲核攻击还是1，4-亲核攻击，都是众所周知的合成方法。但是对于非共轭体系的不饱和羰基化，亲核试剂会攻击哪里？例如，下列两种不饱和羰基化合物在被戴立新分别转化为硫酮后，在铅存在下，前者的5位和后者的6位可被亲核试剂特异性攻击。1.2有机合成化学，第1章材料合成化学的进展和研究热点环氧醇是烯醇不对称氧化的必然产物。由其开环形成的二醇被广泛使用，但对环氧醇分子中不同位置的亲校攻击会形成不同的产物，因此研究这类化合物的区域选择性开环非常活跃。(3)环氧醇的区域选择性开环，1.2有机合成化学，第1章，材料合成化学

8、的进展和研究热点，(4)远程区域控制反应，羰基钼和叔丁基过氧化氢只在烯丙醇体系中进行烯烃环氧化反应。因此，Mo(CO)6/tBuOOH不能环氧化分子中的双键，但在末端带有羟基的模板安装后，烯烃和羟基在空间上形成一个类似烯丙醇的体系，因此可以成功地环氧化分子中的双键。1.2有机合成化学，第1章材料合成化学的进展和研究重点，图1-6遥控反应的例子，1.2有机合成化学，第1章材料合成化学的进展和研究重点，显然，末端模板的大小和方向必须正好满足其末端羟基和末端双键在原分子空间中形成“烯丙醇结构”的要求，所以在(19)中，当n=2时变成(19b)， 或者当(19a)中模板上的两个基团不在对位时，上述远程

9、区域控制反应将不会发生，并且该远程区域控制反应的良好选择性来自过渡金属的配位。 这种反应也可以扩展到有机合成的其他领域。1.2有机合成化学，第一章，材料合成化学的进展和研究重点，3)立体选择性，(1)顺反异构选择性，在形成双键的反应中(如炔还原，碳基化合物的维蒂希反应和其它攻击或增加多个键的反应等)。)，只要所形成双键的碳上携带的基团不同，就必须涉及产物的Z型或E型结构。在对映选择性是目前非常具有挑战性的问题。近二十年来，许多不对称合成反应取得了突出的成果，并建立了使用不对称合成的工业设备。(2)对映选择性，如不对称氧化LDopa的手性合成，通过不对称氢转移反应大量生产薄荷醇，特别是新的特殊药

10、物的工业合成。对映选择性仍然是未来有机合成的发展方向之一，因为人体本身是不对称物质的复合体，如人体内的D型葡萄糖、人体内的L型乳酸以及许多治疗人体疾病药物的手性。1.2有机合成化学，第一章是材料合成化学的进展和研究重点。近几十年来，除了满足选择性外，对反应条件的要求也越来越温和：温度最好在室温；该介质优选为中性水介质；压力最好是正常压力。也就是说，它尽可能接近生化过程。当然，有时出于其他原因，在这方面必须做出一些让步。4)反应条件应温和，例如，过去加氢甲酰化法使用钴催化剂，但正负之比不理想；改进方法：铑在过量膦的存在下催化，但铑的回收必须解决。德国Hoechst公司开发了一种使用水溶性膦配体的

11、两相法。他们在三苯基膦的苯环上引入了磺酸基团，水溶性达到1.1千克/升。反应后，铑保留在水中，有机相产物被除去，反应可以继续进行。鲁尔化工公司利用该工艺由丙烯生产丁醛，丁醛与丁醛的比例大于95: 5，建立了年产10万吨丁醛的工厂。1.2有机合成化学，第1章材料合成化学的进展和研究热点在大型化工产品的生产中，必须实现催化循环，否则催化反应将失去其工业意义。如果不实现铜促进的循环反应，钯催化的乙烯氧化成乙醛不可能是一个瓦克过程。今天，有必要实现精细化学品或特种化学品的催化循环反应，这对于降低成本或减少污染是必要的。在精细有机合成中，有许多化学计量反应，人们应该努力实现催化循环反应。1.2有机合成化

12、学，第1章材料合成化学的进展和研究重点，其中物理方法主要指光、电、声、热和微波对有机合成反应的特殊影响。例如，下面的目标化合物是具有结构兴趣的非天然化合物，没有物理方法很难获得。事实上，它的合成非常简单，其反应过程如下：1.2.3未来有机合成化学的研究热点，1)借助物理手段的有机合成反应，1.2有机合成化学，第一章，材料合成化学的进展和研究热点，这显示了物理方法的特殊作用。近几十年来，用物理方法进行有机合成的研究非常活跃。特别值得一提的是，随着微波加热技术的广泛应用，人们在20世纪80年代开始使用微波炉进行有机合成反应，并取得了越来越显著的成果，从而微波化学应运而生。在催化反应中，特别是在金属

13、催化反应中，实现催化循环是降低成本的主要途径。因为过渡金属(特别是稀有过渡金属)催化剂通常难以制备且成本高。如果催化循环能够实现(如乙烯氧化制乙醛过程中的威克过程)，只需要催化剂的催化量，反应就能顺利进行。例如，我国合成工作者首次实现了维蒂希反应的催化循环(如图1-7所示)。1.2有机合成化学，第1章材料合成化学的进展和研究热点，图1-7维蒂希反应的催化循环，1.2有机合成化学，第1章材料合成化学的进展和研究热点，催化循环的例子很多。随着自然的进化和人类对自然认识的加深，那些对人类社会有益的反应实现了催化循环。1.2有机合成化学，第1章：材料合成化学的进展和研究热点，生物酶在有机合成中的独特作

14、用，一直是近二十年来合成工作者关注的热点。3)有机合成是通过生物酶来实现的，尤其是酶在一些手性合成子的制备中显示出无可比拟的重要性。在以前的研究中，酶实现了高选择性的反应，这是其他物理或化学方法无法实现的。例如，直链淀粉链中2-、3-和6-羟基的定向反应是通过酶实现的。1.2有机合成化学，第1章：材料合成化学的进展和研究重点，酶系统除了具有优异的化学选择性外，通常只催化一种有机合成反应。它的区域和立体选择性也很好。例如，酶只能与一对外消旋体的一种异构体(左旋或右旋)反应。酶也可以与手性化合物发生反应，具有优异的对映选择性。因此，利用酶实现有机合成仍然是新世纪有机合成化学的热点之一。1.2有机合

15、成化学，第一章是材料合成化学的进展和研究重点。科学的发展不仅使人们了解生命现象的秘密，而且在实验室里合成了许多生理活性物质。然而，人们对生命现象的理解需要进一步发展，他们应该选择生命科学中的重要材料。例如，将基因芯片用于DNA分子序列测定的荧光标记分子作为合成对象，对人类进一步揭示生命现象具有一定的指导意义。近二十年来，随着人类回归自然需求的增加，从自然界最丰富的糖类合成人类社会的必需品将成为新世纪的又一研究热点。4)选择生命科学中的重要物质作为合成对象，酶位置特异性的突变很好地表达了人类的主动性，而催化抗体酶更好地表达了这种主动性，它实际上是酶学、免疫学和有机合成化学紧密结合的产物。合成具有

16、预定特异性的催化剂一直是有机合成工作者最具挑战性的任务。因为酶和抗体酶区别在于酶选择性地与反应过渡态结合，而抗体酶与基态分子结合。催化抗体酶的合成显然需要良好的生物技术和有机合成手段，这将是新世纪的研究热点之一。特别是，单克隆技术的发展促进了抗体酶的制备、筛选和优化。5)催化抗体酶，1.2有机合成化学，第1章材料合成化学的进展和研究热点，聚乙炔作为有机导体的研究受到了极大的关注，并且发现聚乙炔可以通过环辛四烯聚合得到。6)与有机导体相关的新材料的有机合成，1.2有机合成化学，第1章材料合成化学的进展和研究重点。聚乙炔的相对分子质量可达13700，碘掺杂后的电导率为顺式10-5-1cm-1反式0.2-1cm-1。因为聚乙炔可溶于苯和四氯化碳，所以易于加工。中国有机合成工作者使用有机铬催化剂聚合全氟丁炔-2。掺杂后，得到电导率为4.810-8-1cm-1的稳定聚乙炔衍生物。1.2有机合成化学，第一章，材料合成化学的进展和研究重点，以及7)与微电子技术有关的有机合成。在微电子学进入分子器件的水平后，一种叫做纳米技术或纳米材料的研究出现了。通过一系列特定的反应，有机合成化学家已经合成了分子特别是，分子马达的出现可能与人类寿命的延长有关。因此，它必将成为新世纪的研究热点。1.2有机合成化学，第1章，材料合成化学的进展和研究重点，8)超临界CO2技术有机合成。自1992年北卡罗来纳大学的J