现代有机合成的新概念和新方法

现代有机合成的新概念和新方法摘要: 概念和方法是有机合成化学发展的基础, 新的概念和方法的产生和发展可为有机合成开拓新的研究领域和发展方向. 介绍现代有机合成中一些新概念和新方法, 结合具体的有机合成反应实例阐述有机合成在这些概念和方法方面取得的新成果和进展, 现代有机合成发展方向和应重视的研究领域.关键词: 现代有机合成; 新概念; 新方法; 进展The new concept and new method of the modern organic synthesisAbstract: Concept andmethod are the bases of the development of organic synthesis chemistry. New concept and newmethod can exploit new research fields and development orientations for modern synthesis. This paper introduces somenew concept and new methods in modern organic synthesis, revealing the new achievement and improvement in thesconcept and methods by giving some instances of organic synthesis reaction, summarizing the development orientationsand the fields the modern organic synthesis should lay emphasis on.Key words: modern organic synthesis; new conception; new method; development有机合成化学作为有机化学的一个分支, 已经有一百多年的历史. 现代的有机合成不但能合成大量的结构复杂而多样的次生生物代谢物和基因、蛋白质等复杂的生命物质, 而且能合成大量的自然界中没有的具有独特功能性分子的物质. 现代有机合成不只是合成什么的问题, 更重要的是如何合成和怎样合成的问题. 有机合成与21 世纪的三大发展学科: 材料科学、生命科学和信息科学有着密切的联系, 为三大学科的发展提供理论、技术和材料的支持. 新世纪有机合成将进一步在这三大学科领域中发挥作用并开辟新的领域. 随着生命科学和材料科学的发展, 尤其进入后基因组时代后, 需要有机合成快速提供各种具有特定生理和材料功能的有机分子, 而要获得有新结构的功能类型分子往往取决于新的合成方法, 新的方法往往又取决于新的理论和概念. 因此, 21 世纪有机合成的发展, 需要从概念、方法、结构与功能方面入手.1 现代有机合成新概念1．1．1 原子经济性原子经济性的概念是美国著名有机化学家B.M. Brost 于1991 年首先提出的, 并将它与选择性归结为合成效率的两个方面[1]. 认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子中的每一个原子,使之转化到目标分子中, 达到零排放. 原子经济性反应有两大优点: 一是最大限度地利用原料; 二是最大限度地减少了废物的生成, 减少了环境污染.原子经济性反应符合社会发展的需要, 是有机合成的发展方向[2] . 原子经济性是现代有机合成追求的一个重要目标, 也是绿色合成的一个重要指标.原子经济性原则引导人们在有机合成的设计中经济地利用原子, 避免使用保护基或离去集团,减少或消除副产物的生成. 当前, 提高有机合成原子经济性的主要途径有开发高选择性、高效的催化剂; 开发新的反应介质和试剂, 提高反应选择性; 总的来说主要在合成路线和反应条件上做文章.最近, 在原子经济性反应方面取得了很大进展. 例如: 用传统的氯醇法合成环氧乙烷, 其原子利用率仅为25%,而采用乙烯催化环氧化方法可一步合成, 原子利用率可达到100%, 产率达99% .反应如下:Noyori 等使用新型介质超临界二氧化碳, 用二氧化碳和氢气合成了甲酸, 这被认为是最理想的反应之一[3] . Hoffmann-La Roche 公司开发的抗帕金森药物的合成是一个羰基化反应, 采用传统的多步合成反应路线, 以2-甲基-5-乙基吡啶为起点经8 步合成, 产率约为8% ; 而用钯催化羰基化反应,从2, 5-二氯吡啶出发, 可一步合成, 原子利用率达100%, 生产规模可达3 000 t[4] .1．1．2 组合合成组合合成的概念是在组合化学的基础上发展起来的, 并开创了新领域. 它可以在短时间内将不同结构的模块以键合方式系统地、反复地进行连接, 形成大批相关的化合物( 亦称化学库) . 通过对库进行快速性能筛选, 找出具有最佳目标性能化合物的结构, 与传统化合物的单独合成及结构性能测定相比, 简化并缩短了发现具有目标性能化合物的过程[5] . 如对催化剂进行选择和改进传统研究方法仍依靠实验摸索、偶然发现的, 不仅工作量大而且效率不高, 组合合成大大提高了有机合成选择的目标性和效率, 对于有机合成中的催化合成有重要意义. 事实证明组合合成是用于催化合成研究的一种有效手段. 组合合成反映了化学家在研究观念上出现的重大飞跃, 它打破了逐一合成、逐一纯化、逐一筛选的传统研究模式, 使大规模化学合成与药物快速筛选成为可能.组合合成提供了一种迅速达到分子多样性的捷径. 目前, 这方面的发展迅速, 现已从肽库发展到了有机小分子库, 并已筛选出许多药物的先导化合物[6] . 组合合成在催化反应体系的选择、药物化学中先导化合物的筛选以及材料化学中显示了广阔的前景. 目前, 组合合成的趋势是要求高效,以最少的化合物筛选取得最多的正确信息.固相和液相组合合成以及有效组合合成的介入, 对先导化合物筛选和药物筛选等方面起了积极推动作用. 另外, 在组合合成中应用高分子微珠方法, 可使每一个高分子珠球含有的450 Lmol 的分子进行反应, 反应后对其中的10%进行纯化、分析与结构确定, 其余的可用于各种靶点的筛选与化合物库的建设之用. 组合化学在催化反应中的应用, 尤其在不对称催化反应中的应用已显示很好的结果, Kagan 及Mikami 等已成功将组合化学用于不对称催化反应的开发[7]. 另一方面就是应用组合化学合成一系列化合物, 提供多样性的化合物库, 以展示有机合成方法学的能力及发展新型先导化合物[8] . 虽然绝大部分组合合成是集中在非手性小分子上, 但也有应用组合合成建立不对称合成的手性化合物库, 用于药物筛选的报道[9]. 最近, 美国的Curran 教授等发展了氟相组合化学以及相应的氟相分离技术, 进一步推动了组合化学特别是液相组合化学的发展[10] .1．1．3 不对称合成不对称合成是研究对映体纯和光学纯化合物的高选择性合成, 已成为现代有机合成中最受重视的领域之一. 不对称合成尤其是过渡金属催化的不对称合成是合成手性药物的有效手段, 因为不对称合成必须有手性源才能完成, 在当量的不对称反应中必须有当量的手性源, 而用于手性源的化合物非常昂贵, 故在生产中用当量的手性源化合物是不合算的. 获得单一手性分子的一个重要途径是外消旋体的拆分, 但原子经济性较差, 最大产率也只有50%; 而催化的不对称合成利用催化量的过渡金属和与之相配的手性配体, 用很少量的手性配体可合成大量的手性化合物, 有很好的原子经济性. 因此, 合成单一手性分子, 催化的不对称合成应该是首选的.经过近十年的飞速发展, 催化的不对称合成取得了很大进展. 其中, 不对称氢化反应研究得较深入. 据估计在已工业化的所有不对称合成反应中有70% 的反应属于不对称氢化反应. 目前, 由于出现了一系列新配体[11] , 不对称氢化反应正向常温、常压和高选择性、高反应速率、重复使用和更具环保意识的方向发展; 同时, 反应底物的范围也不断扩大. 一个进展就是已解决了C C 双键和C O 双键的选择性氢化问题: Noyori 在乙二胺和氢氧化钾共存下, 用RuCl2( PhP) 3 为催化剂可以在C C 键存在下选择性的氢化C O 键, 这一高选择性的氢化反应已实现[ 12] . 对碳) 杂原子连接的不对称反应的研究还处在初级阶段, 但对难于氢化的C N 键的不对称氢化已取得了成功[ 13].最近, Buchwald 等用C N 键插入T-i H 键而形成T-i N 键时的立体环境, 从而实现了对C N 键的不对称氢化[ 14]. 另一方面, 手性中毒( 不对称活化) 概念的产生和发展, 使催化不对称合成中手性配体昂贵的问题有了解决方法. 利用配位化合物的手性识别原理, 使廉价的对映纯的非活性配体和外消旋的活性配体之间的相互作用, 拆分了外消旋的活性配体, 从而起到不对称催化的作用[ 15].这是不对称催化发展的一个方向. 下面是手性中毒示原理:除此之外, 还发展了不对称放大, 去对称化反应等新概念、方法和技术, 大大促进了不对称合成反应的发展. 不对称合成的发展, 不仅在医药上得到应用, 并且推动了有机合成、配位化学、分析分离技术和高分子材料等领域的发展.1．1．4 绿色合成绿色化学的概念在20 世纪90 年代初由化学家提出[ 16], 十几年来, 绿色化学的概念、目标、基本原理和研究领域等已经逐步明确, 初步形成一个多学科交叉的新的研究领域. 绿色合成是绿色化学的一个方面, 其以绿色化学的基本理论和目标为指导, 以和/ 环境友好0为基础和出发点. 绿色合成采用绿色环保型的合成路线和工艺, 避免使用对环境有害的溶剂、原料和催化剂, 消除或尽可能减少有毒产物的生成, 实现整个合成过程对环境的友好性. 当前, 实现有机合成的绿色化, 一般从以下方面进行考虑: 开发、选用对环境无污染原料、溶剂、催化剂; 采用电化学合成技术; 尽量利用高效的催化合成, 提高选择性和原子经济性, 减少副产物的生成; 设计新型合成方法和新的合成路线, 简化合成步骤; 开发环保型的绿色产品; 发展应用无危险性的化学药品.关于绿色合成的报道很多, 其中有对传统合成方法的改进, 有新的合成反应的出现. 例如, 对于Friede-l Crafts 酰化反应合成药物中, 用传统的催化剂无水AlCl3 来催化中间体对氯二苯甲酮, 生产1 t 酰化物产生3 t 酸性富铝废弃物, 而采用新开发的环境友好催化剂envirocat EPZG, 催化剂用量为原来的10% , 产率可达70% ,HCl 的排放量减少了3/ 4, 无酸性富铝生成, 只产生极少量的邻位产物[ 17]. 反应如下:甲基丙烯酸甲脂是一种重要的高分子单体,传统的工业合成方法以丙酮腈醇为原料, 反应中要使用过量的浓硫酸和有剧毒的氢氰酸, 结果产生大量的硫酸氢铵废弃物, 原子利用率只有46% ,对环境危害很大. Shell 公司发展的丙炔-钯催化甲氧羰基化一步合成法, 区域选择性和反应回收率均大于99% , 原子利用率高达100% , 催化剂的转化活性高达每小时每克催化剂催化10 万摩尔底物, 是一种高效的环境友好流程[ 18] .Noyori 发展了一种直接用30% 双氧水氧化环己烯制得己二酸的方法, 只生成己二酸和水, 是一种不用有机溶剂和不含卤素的绿色过程[ 19].Burk 小组报道了以超临界二氧化碳为溶剂可以提高催化不对称氢化反应的对映选择性, 产率达95%, 是一个典型的绿色有机合成[ 20] .2 现代有机合成的新方法有机合成的发展一方面得益于有机金属试剂的开发与应用, 另一方面得益于新的反应方式, 如自由基反应、卡宾反应、环加成反应与高效合成反应等. 这里就一些新方法给出若干实例.2．1．1 自由基反应自由基化学已为有机合成提供了许多新方法.主要表现在以下4 个方面: 新型自由基原子转移供体, 如(MeSi)、SiH; 成环模型, 跨环环化反应; 在分子内自由基加成反应中自由基加成的模式, 即endo/exo 型; 自由基加成反应立体选择性的控制[ 21] .在多烯烃的体系内串联式自由基加成反应为多环化合物的合成提供了高效方法[ 22] .跨环成环反应为许多用其它方法难以合成的并环化合物的合成提供了新方法[ 23].在自由基加成反应中立体化学的控制一直是自由基反应在有机合成中应用的瓶颈, 主要是因为自由基的高反应活性. 最近, 美国的Sibi 和Porter 教授等利用Lewis 酸对化合物的羰基配位,用杂环中的手性中心来控制自由基加成反应的立体化学, 为光学活性的酰胺化合物的合成提供了方法[ 24]另一方面, 从合理设计的底物出发, 自由基反应已成为可控制的, 是在中性条件下进行高选择性反应的一种有效手段[ 25] . 选择适宜的自由基引发剂可使自由基反应在室温下进行, 糖碳苷化反应中自由基作为引发剂比AIBN 作为引发剂得到更高的立体选择性.2．1．2 光、电、微波促进的有机合成反应新型物理手段在有机合成中的应用受到化学家的关注, 这方面的发展也很快. 主要是对光催化、电催化、微波催化等方面的研究. 光催化反应,具有洁净无污染, 反应速度快等特点. 光学活性的有机催化剂( 不含金属) 的设计是当今研究的一个新领域[ 26] . Charette 等发现在碳) 碘键与二乙基锌交换反应中, 在没有光照的情况下, 48 h 后锌试剂2 的产率小于10% , 而当用GE 日光灯( 275 W)作为光源进行光催化时, 发现在3 h 内锌试剂2 的产率为90% [ 27] .电化学过程是洁净技术的重要组成部分, 是到达绿色合成的有效手段, 在洁净合成中有独特的魅力. 有机电合成一般可避免有毒试剂的使用,通常在常温、常压下进行. 有机合成中一类非常重要的碳) 碳键形成的反应是自由基反应, 实现自由基环化的常规方法之一是使用过量的三丁基锡烷, 不过这种方法原子使用率低, 还产生有毒且难以除去的锡试剂, 而用维生素B12催化的电还原方法完全可以避免这方面的问题. 应用天然、无毒、手性的维生素B12为催化剂的电催化反应, 可产生自由基类中间体, 从而实现了在温和、中性条件下的自由基环化[ 28] . 下面的反应是一个例子.近年来, 微波辐射技术在有机合成有很好的应用, 微波催化不仅有效地提高反应速率、反应转化率和选择性, 而且体现出节能、环保等诸多优点, 微波在有机合成中的应用已引起人们的兴趣.近年来, 关于微波催化的有机合成的报道很多, 较多的是关于脂类有机物的微波催化. 如1, 3-二苯基烯丙基醋酸脂3 在P-烯丙基钯作为催化剂的情况下与丙二酸脂在手性配体存在下, 经微波促进反应, 亲核取代产物4 的产率可达77% ~ 87%[ 29] .又如由邻苯二酚与氯代异丁烯通过烷基化反应合成邻异丁烯氧基苯酚, 采用传统加热方法, 反应速度慢, 需时25 h 产物收率为50%[ 30], 而李军等采用微波辐射合成该产品, 只需115 min 产物收率可达68%[ 31] .2．1．3 高效合成方法2．1．3．1．1一瓶多步串联反应生物体内的化学合成是高度有序、高效进行的, 许多转化涉及多步连锁式、多米诺骨牌式反应. 由于串联反应一般经历一些活性中间体, 如碳正离子、碳负离子、自由基或卡宾等, 这样就发生了一个反应可以启动另一个反应, 因此多步反应可连续进行, 无须分离出中间体, 不产生相应的废弃物, 可免去各步后处理和分离带来的消耗和污染[ 32, 33]. 此外, 金属催化往往可产生活性中间体, 进而在一瓶内进行多步连续反应, 这类反应叫串联反应( tanderm react ion) . 在一个反应瓶内连续进行的多步串联反应以合成复杂分子, 也是一类环境友好反应. 阳离子串联反应, 自由基串联反应, 金属催化的串联反应是几类具有代表性的串联反应.早期的一个著名的例子是角鲨烯的生源合成及其仿生合成, 属阳离子串联反应[ 34] . 多种不同反应组合及其系列反应, 也是串联反应的有效方式. Boger 小组用二唑作为双烯进行的[ 4+ 2] 环加成- 失氮- [ 3+ 2] 环加成串联反应, 在一瓶反应中合成了长春花朵灵的前体, 产率达70% , 建立了5 个环和6 个手性中心[ 35] . 通过多米诺式的[ 3+ 2] 环加成-Wagner-Meerwein 重排-Friede-l Crafts 烷基化- 消除反应系列, 可实现多环体系的一瓶合成, 在报道的两例中, 产率分别达到47% 和25%[ 36] .Heathcock 研究了交让木( yuzuriha) 类生物碱的合成, 建立了用简单的一瓶反应把角鲨烯衍生物转化为二氢原交让木碱的简单方法[ 37]. 整个过程形成5 个环, 4 个碳) 碳键, 2 个碳) 氢键和8 个手性中心..Corey 小组报道阳离子引发的串联反应, 用于aspidophytine 的对映选择性合成, 这个一瓶反应的产率达到66%[ 38] .2．1．3．1．2一瓶多组分反应一瓶多组分反应也是一类高效的方法, 这类反应涉及至少3 种不同的原料, 每个反应都是下一步反应所必需的, 而且原料分子的主体部分都融进最终产物中[ 39] . Mannich反应( 三组分) 和Ugi( 四组分) 都是有名的例子. 最近Ugi 报道了一个七组分反应[ 40] , 产物的回收率达到43%. 一瓶多组分反应也可用于复杂分子的合成.2．1．3．1．3多反应中心多向反应具有多反应中心的底物也可以在一瓶完成多步反应[ 41] . 双向或多向反应也可以是高效的.3 展望现代有机合成正朝着高选择性、原子经济性和环境保护型三大趋势发展, 重点在于开发绿色合成路线及新的合成工艺, 寻找高选择性、高效的催化剂, 简化反应步骤, 开发和应用环境友好介质, 包括水、超临界流体、离子液体、氟碳相等, 以代替传统反应介质, 减少污染. 合成方法学研究成为有机合成的研究热点, 成为从化学原理入手发展新概念、新反应、新方法的突破口, 重点是对立体可控制的自由基反应的研究及组合化学在有机合成方法学发展中的应用, 合成具有独特功能的分子, 包括具有特殊性能的材料、生理活性分子和天然产物, 尤其对海洋生物源中新生物活性物质的发现与合成成为有机合成在新世纪的重要发展方向. 目前, 不对称合成的研究虽然取得了很大的进展, 今后仍旧是有机合成研究的热点问题之一,尤其对催化的不对称合成反应的研究、研制和发现新配体及手性催化剂是研究催化不对称合成的重要方面. 另外, 分子器件、分子识别、分子组装和化学生物学、合成生物学、化学材料学的研究将更进一步推进有机合成的发展, 使其融入国际科技飞速发展的潮流.参考文献[ 1] Trost BM. Atom economy in chemical reaction[ J] . Science, 1991( 254) : 1 469- 1 476.[ 2] Murai S A. Activation of unreactive bonds and organic synthesis[M] . Berlin: Springer-Verlag, 1999. [ 3] Jessop P G, Ikariya T, Noyori R, et al. Enzymatic interesterification in supercritical carb dioxide[ J] . Nature, 1994( 368) : 230-235.[ 4] Schmid R. 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