有机合成概述应用化学系叶非课件

* 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。
反应
脱氢酶(含FAD)
单加氧酶
双加氧酶
氧化酶
面包酵母
裂合反应 醛缩酶
醇,酚
醛,酮,醌
醛,酮,醌
醇,酚
含活泼氢烷烃 烯烃
活泼烯烃
烷烃
烷烃,芳烃,酚 醇,酚
烯烃
环氧化物
芳烃
酚
二酚
二元羧酸
氨基酸
-酮酸
醇,酚
醛,酮,醌
醛,酮,醌
醇,酚
含活泼氢烷烃 烯烃
活泼烯烃
烷烃
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
* 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）
（8）20世纪90年代，发展了组合化学合成理论和 技术。
H2N O
OO
OH
OH
C129H223N3O54, 分子量2680， 64个手性中心， 可能的异构体是271
OH HO
O
OH
Me
HO
OH
OH
OH
HO
OH
O
O Me OH
OH
OH
HO
N
N
O
H
H OH
OH
OH
Me O
HO
Me
O Me
OH
OH
Me
O OH
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%。
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
（８为多肽中氨基酸残基数目）
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。
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、构筑成具有特定功能的材料。从超导体、 半导体到催化剂、药物控释载体、纳米材料等都需 要从分子和分子以上层次研究材料的结构。
K2CO3,THF Et2O(3:7)
CHO
R2 R1
R3
OH
(CH3)3CCO2H,Ti(OPr)4
R2 O
CH2Cl2, 20 C
R3
R1 OH
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)
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。
（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
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、
等
N-乙酰葡萄糖胺
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+)
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。
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
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
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。
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
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绪言
1、有机合成是有机化学中最富活力的领域
有机合成是表现有机化学家非凡创造力的舞台
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。
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
（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：
OAc Br
n
+ NaCH(CO2CH3)2
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
TMS
TMS
n
It is interesting that this tpye of compounds is easily dissolved in organic solvent such as benzene
海葵毒素
OH HO
OH OH OH
HO OH
OH
OH OH OH
O
OH
OH
HO OH
O HO
OH
OH OH
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
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。
（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：
OHC
O
O
O
O
COOEt
COOEt Cl
（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。
(1)
CH3O2C
DMF CH3O2C
(2) Br (Ph3P)4Pd
(3)
Br
Mo(CO)6
OAc n
OAc n
CO2CH3 CO2CH3
CH3O2C CO2CH3
n
（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。
CH3(CH2)14CHO
[Ph3AsCH2CHO]+Brn C15H31
提高人类生存质量和生存安全的有效保障
① 通过研究各种物质和能的生物效应的化学 基础，特别是搞清两面性的本质，找出最佳 利用方案；
② 研究开发对环境无害的化学品和生活用品， 研究对环境无害的生产方式。
③ 研究大环境和小环境中不利因素的产生、 转化和与人体的相互作用，提出优化环境建 立洁净生活空间的途径。