有机合成与周环反应.ppt

1、有机合成,教材:徐寿昌 主编 高等教育出版社,有机化学 Organic Chemistry,资料： * 1900-2000年的100年中，化学合成和分离了2285万种化合物（包括天然产物、药物、材料等）。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。,* 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,有机合成是有机化学中

2、永不枯竭的研究资源,有机合成是从容易得到的简单工业原料（有机或 无机试剂），通过一步或多步反应来制 备所需的化合物。,合成的目的： 通过一定的反应，使原来分子中某一个或几个化学键断裂，同时形成一个或几个新的化学键，从而使分子发生转变或将几个小分子连接起来。,第一节 有机合成的方法与手段,合成的要求： 1 合成的步骤越少越好； 2 每步的产率越高越好； 3 原料越便宜越好。,通常有机合成的方法有两种： （1）正合成分析法从已给的原料出发，通过有机反应逐步转变为所需要的化合物（目标化合物）。这种方法一般是目标化合物比较简单，反应步骤少； （2）逆向分析法从目标化合物开始，通过“切断”和倒推，以得到

3、简单的起始原料。 （反合成分析）。,目标分子即打算加以合成的分子，以TM表示。 切断用于合成上的一种方法，即将分子的一个键切断（用 表示），使分子转变成一种以上的可能原料，这是化学反应中的逆过程（用表示）。 合成子在切断时所得出的概念性的分子碎片，通常是离子。,在设计一种合成法时，应主要考虑基本骨架的构成、官能团的引入，基团的保护与去除及立体化学等因素。,合成一种目标分子应尽可能考虑以下几点： 1、步骤少 (多则总产率低、时间、原材料消耗多)； 2、产率高 (副反应少，分离能化简)； 3、原料便宜易得 （还要加上无毒、少毒）反应条件、 设备易于实现；还应加上绿色化学的考虑： (“原子 经济性”

4、，污染尽可能少)。,有机合成的主要手段,1 官能团的引入; 2 官能团的转换； 3 碳架的建造； （1） 碳链的增长； （2） 碳链的缩短； （3） 碳架的重组； （4）环的闭合和打开。,（1） 碳链增长的方法,*1 金属有机化合物与卤代烷的偶联反应； *2 金属有机化合物与羰基，氰基的加成反应； *3 金属有机化合物与环氧化合物的开环反应； *4 各类缩合反应； *5 炔烃，芳环，酮，酯，-二羰基化合物和 -羰基腈的烷基化和酰基化反应； *6 酮的双分子还原； *7 酯的双分子还原； *8 环加成反应； *9 烯烃的羰基化反应。,*4 各类缩合反应,重要的缩合反应包括： 醇醛缩合； Clai

5、sen 缩合反应； 酯缩合反应（Claisen-Schmidt 缩合）； Mannich 反应； Knoevenagel 反应； Darzens 反应； Reformatsky 反应； Benzoin 缩合反应； Perkin 反应； Wittig 反应； Michael 加成反应； Robinson 缩环反应,（2） 碳链缩短的方法,*1 一元羧酸的脱羧反应； *2 二元羧酸的脱羧脱水反应； *3 烯，炔，酮，芳烃侧链，-二醇和-羟基醛或酮 的氧化断裂反应； *4 甲基酮的卤仿反应； *5 酰胺的 Hofmann 降解反应； *6 Curtius 重排反应； *7 Schmidt 重排反应；

6、 *8 环加成的逆反应； *9 -二羰基化合物的酮式分解和酸式分解； *10 酯缩合的逆反应； *11 酯的热裂； *12 黄原酸酯的热裂； *13 四级铵盐的热裂 (Hofmann 消除) ； *14 氧化胺的 Cope 消除反应。,（3） 碳架的重组；,碳架重组的反应是各种重排反应，包括： *1 Wegner-Meerwein 重排； *2 频哪醇 (Pinacol) 重排； *3 异丙苯氧化重排； *4 Bechmann 重排； *5 Favosky 重排； *6 Baeyer-Villiger 氧化重排； *7 Hofmann 重排; *8 联苯胺重排; *9 Benzilic aci

7、d重排; *10 Claisen 重排; *11 Fries 重排; *12 Cope 重排。,（4）环的闭合和打开,环的闭合： 三元环： 1）丙二酸酯与1,2-二卤代烷的烷基化反应； 2）烯烃和卡宾的反应； 四元环： 1）丙二酸酯与1,3-二卤代烷的烷基化反应； 2）烯烃光二聚的反应； 五元环： 1）狄克曼关环反应； 2）1,3-偶极环加成反应； 3）丙二酸酯与1,4-二卤代烷的烷基化反应； 六元环： 1） Diels-Alder 反应； 2） 苯环的还原 反应； 3） 酯的烷基化反应； 更大的环系：1）分子内羟醛缩合反应； 2）酮醇缩合反应。,环的打开与切断碳链的手段类似。,例一：用三个或

8、三个碳以下的有机原料和适当的无机试剂合成：,第二节 有机化合物的合成,逆合成分析：,合成路线：,无水醚,无水醚,第二节 有机化合物的合成,例二：用四个或四个碳以下的有机原料和适当的无机试剂合成：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,无水醚,第二节 有机化合物的合成,例三：用苯和适当的无机试剂合成：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,浓H2SO4,浓,第二节 有机化合物的合成,例四：用苯和二个或二个碳以下的有机原料和无机试剂合成：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,第二节 有机化合物的合成,例五：用三个或三个碳以下的有机原料和适当的无机试剂合成

9、：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,第二节 有机化合物的合成,例六：用环己醇作原料合成以下化合物：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,无水醚,无水醚,第二节 有机化合物的合成,例七 用不超过二个碳的简单有机原料或苯合成下列化合物：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,无水醚,第二节 有机化合物的合成,例八 用不超过四个碳的简单有机原料合成下列化合物：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线:,第二节 有机化合物的合成,例九 用环己烯和二个碳的简单有机原料合成下列化合物：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线:,思考题:

10、 如何制备下列化合物:,2） H2O,1),第二节 有机化合物的合成,例十 用苯和四个碳以下的简单有机原料合成下列化合物：,第二节 有机化合物的合成,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线:,H+,第二节 有机化合物的合成,例十一 用苯，苯甲酸和五个碳以下的简单有机原料合成：,第二节 有机化合物的合成,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线:,第二节 有机化合物的合成,例十二 用苯, 三个或三个碳以下的有机原料和适当 的无机试剂合成：,第二节 有机化合物的合成,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,第二节 有机化合物的合成,例十三 用不超过四个碳的简单有机原料

11、合成下列化合物：,第二节 有机化合物的合成,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,第二节 有机化合物的合成,例十四 用不超过四个碳的简单有机原料和苯合成消毒剂：,第二节 有机化合物的合成,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,浓,第二节 有机化合物的合成,例十五 用不超过二个碳的简单有机原料或苯合成下列化合物：,第二节 有机化合物的合成,逆合成分析：,合成路线：,例十六 用D-(+)-甘油醛合成D-(-)-来苏糖：,第二节 有机化合物的合成,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,第二节 有机化合物的合成,例十七 用不超过五个碳的简单有机原料合成下列化合

12、物：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,第二节 有机化合物的合成,例十八 用不超过五个碳的简单有机原料合成下列化合物：,逆合成分析：,第二节 有机化合物的合成,合成路线：,第二节 有机化合物的合成,第三节 天然产物的合成,1. 角鲨烯的合成,逆合成分析：,逆合成分析：,全合成路线：,2. 雌酮激素的合成,逆合成分析：,逆合成分析：,全合成路线：,拆分,周环反应,教材:徐寿昌 主编 高等教育出版社,有机化学 Organic Chemistry,1. 掌握电环化反应及其选择规律。 2. 了解2+2环加成反应，掌握2+4环加成反应。 3. 了解氢原子参加的1,j迁移，掌握3,3迁移

13、反应。,教学目的和要求,重点：前线轨道理论、电环化反应和2+4环加成。 难点：前线轨道理论和-迁移反应。,一、周环反应,(2)反应不受溶剂极性影响，不被酸碱所催化，也不受自由基引发剂和抑制剂的影响。,(1)反应过程中没有自由基或离子等活性中间体产生，为多中心的一步完成的协同反应。,1. 周环反应的特征,第一节 周环反应的理论,(3)反应进行的动力是加热或光照。,(4)反应具有高度的立体专一性。,2. 周环反应的过程,1,2,*,第一节 周环反应的理论,1. 分子轨道对称守恒原理的中心内容,二、分子轨道对称守恒原理,化学反应是分子轨道重新组合的过程，分子轨道的对称性控制化学反应的进程，在一个协同

14、反应中，分子轨道对称性守恒。,2. 三种理论解释,（1）前线轨道理论；,（2）能量相关理论；,（3）Hckel-Mbius芳香过渡态理论。,第一节 周环反应的理论,三、前线轨道理论,1. 前线轨道和前线电子,最高占有轨道HOMO,最低空轨道LUMO,前线轨道FMO,2. 前线轨道理论的中心思想,分子中的前线电子类似于单个原子的价电子，因此在化学反应过程中，最先作用的分子轨道是前线轨道，起关键作用的电子是前线电子。,第一节 周环反应的理论,四、直链共轭多烯的分子轨道,丁二烯的分子轨道图形,电子分布,基态,激发态,HOMO,LUMO,HOMO,LUMO,第一节 周环反应的理论,特点：,1. 分子轨

15、道的数目与参与共轭体系的碳原子数相同。,2. 对镜面按对称-反对称-对称交替变化；对二重对称轴按反对称-对称-反对称交替变化。,3. 结(节)面数由012逐渐增多。,4. 轨道数目n为偶数时，n /2为成键轨道，n /2为反键轨道；n为奇数时，(n-1)/2为成键轨道，(n-1)/2为反键轨道，1个为非键轨道。,第一节 周环反应的理论,一、含4个电子的体系,顺旋,对旋,第二节 电环化反应,1. 基态(加热),2. 激发态(光照),第二节 电环化反应,二、含6个电子的体系,己三烯的分子轨道图形,电子分布,基态,激发态,HOMO,LUMO,HOMO,LUMO,第二节 电环化反应,1. 基态(加热)

16、,HOMO3,对旋 允许,顺旋 禁阻,2. 激发态(光照),HOMO4,顺旋 允许,对旋 禁阻,第二节 电环化反应,(E,Z,E)-2,4,6-辛三烯的电环化反应,第二节 电环化反应,三、电环化反应的规律,共轭多烯烃电环化反应的规律：,逆反应开环规律与关环规律相同。,第二节 电环化反应,四、电环化反应选择规律的应用实例,主要产物,(Z,E)-1,3-环辛二烯,(Z,Z)-1,3-环辛二烯,第二节 电环化反应,环加成反应，是两分子烯烃或共轭多烯烃互相加成，形成稳定环状化合物的反应。,第三节 环加成反应,由两个电子体系中参与反应的电子的数分类。, 2 + 2 环加成, 2 + 4 环加成,分类：,

17、定义：,一、2+2 环加成,乙烯的分子轨道：,分子轨道图形,电子分布,基态,激发态,HOMO,LUMO,HOMO,第三节 环加成反应,1. 基态(加热),乙烯A的HOMO1,乙烯B的LUMO2,加热条件下的2+2是轨道对称性禁阻的途径。,2. 激发态(光照),乙烯A的HOMO2,乙烯B的LUMO2,光照条件下的2+2是轨道对称性允许的。,第三节 环加成反应,二、4+2 环加成,基态时乙烯与丁二烯的FMO,乙烯,丁二烯,HOMO,LUMO,第三节 环加成反应,1. 基态(加热),HOMO,LUMO,丁二烯：,乙烯：,HOMO,LUMO,加热条件下的4+2是轨道对称性允许的途径。,第三节 环加成反

18、应,2. 激发态(光照),情况一：丁二烯激发乙烯不激发。,丁二烯：,乙烯：,HOMO,LUMO,HOMO,LUMO,第三节 环加成反应,情况二：乙烯激发丁二烯不激发。,丁二烯：,乙烯：,HOMO,LUMO,光照条件下的4+2是轨道对称性禁阻的途径。,第三节 环加成反应,三、环加成反应的规律,环加成反应为顺式加成。,逆反应的规律与环加成规律相同。,第三节 环加成反应,四、环加成反应选择规则的应用实例,顺式和反式的2-丁烯在光照下发生环加成反应时，生成1,2,3,4-四甲基环丁烷各有两种不同的异构体。,第三节 环加成反应,Diels-Alder反应，在加热条件下很容易进行，是空间定向很强的顺式加成

19、。,第三节 环加成反应,迁移反应：在化学反应中，一个键沿着共轭体系由一个位置转移到另一个位置，同时伴随着键转移的反应。,1,3迁移,1,5迁移,第四节 迁移反应,3,3迁移,3,5迁移,数字i,j分别表示键迁移终点的原子，在迁移前和键两端所连原子的距离。,第四节 迁移反应,一、1,j 氢迁移,1. 1,3 氢迁移,分析：假定过渡态由烯丙基自由基和氢原子组成。,在加热条件下不易发生，而在光照条件下容易进行。,第四节 迁移反应,烯丙基自由基的分子轨道,分子轨道图形,电子分布,基态,激发态,HOMO,LUMO,HOMO,成键轨道,非键轨道,反键轨道,第四节 迁移反应,（1）基态(加热),在迁移反应中，最高已占轨道的对称性决定着反应的途径和难易。,HOMO,异面允许,同面禁阻,异面迁