有机化学发展前沿第四章

(诺贝尔化学奖1912)
2. Diels-Alder 反应
(诺贝尔化学奖1950)
3. Wittig 反应
(诺贝尔化学奖1979)
4. 金属钯催化的碳链生成反应
5.烯烃复分解反应
(诺贝尔化学奖2005)
第四章 前沿与展望
烯烃复分解反应的发现简史
烯烃复分解现象早在 1957 年就在美国 Du Pont 的一项 专利中提到过。在 MoO3/Al/LiAlH4 催化体系中，从单体烯 烃可以得到含有烯键的高聚物。
伊夫·肖万
(1930) 法国石油研究所
Yves Chauvin
Degree in 1954
from Lyon School of Chemistry Physics and Electronics
罗伯特·格拉布 (1942)
美国加州理工学院 Robert H. Grubbs PhD in chemistry in
硫脲类催化剂
Org. Lett. 2003, 5, 2331
E. N. Jacobsen, Synlett 2003, 1919.
第四章 前沿与展望
Hydrogen Bonding donor Catalyst
第四章 前沿与展望
第四章 前沿与展望
第四章 前沿与展望
吲哚的傅克反应
第四章 前沿与展望 2005 年诺贝尔化学奖获得者
Grubbs 催化剂
1992 年，Grubbs 获得了第一个结构确定的钌催化剂。
1995 年，Grubbs 获得了 “大众型” 商品化钌催化剂。 该催化剂对水气和空气不敏感。称之为 “第一代fdv;dlfmv; esovm;v Grubbs催化剂”，选择性高，但反应活性低。
1999 年，Grubbs 获得了 “第二代Grubbs催化剂” “大 众型” 商品化钌催化剂。选择性和反应活性达到几乎完美的
D. Enders et al, Nature, 2006, 441, 861.
第四章 前沿与展望
金鸡纳-生物碱催化质子化反应
第四章 前沿与展望
金鸡纳-生物碱催化烯丙基取代反应
Tetrahedron Lett. 2003, 44, 3047
第四章 前沿与展望
硫脲类催化剂 催化Strecker反应
第四章 前沿与展望
1968 from Columbia University
理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ德·施罗克
(1945) 美国麻省理工学院
Richard R. Schrock
PhD in chemistry in 1971
from Harvard University
第四章 前沿与展望
Metathesis Method (烯烃复分解方法)
（3）药物设计、合成和开发应用。 （4）生物材料（Biomaterials）和人工器官的合成。 （5）配合物小分子作为Key和DNA大分子作为Lock
的相互作用。 （6）了解神经细胞和生理调控的化学机理 （7）糖化学。
第四章 前沿与展望
3、生态环境科学中的化学问题 1）环境元素的循环。 2）有害化学物质的控制和治理。 3）以“原子经济”和“零排放”为目标的绿色化学和化工。 4）生态环境化学。
提出的反应机理现在证明全是错误的。
第四章 前沿与展望
Chauvin 机理
1971 年 Chauvin 提出了金属卡宾引发机理，认为金
属首先形成了金属卡宾，烯烃复分解是一个四步循环过程。
并用该机理解释了烯烃复分解反应中众多的化学现象。
混 和烃生
R1
合 物
形
是
成 的
R1
[M]=
Z E
。 的形烯
Sept 4
不对称催化氢化反应
（合成手性物质） 不对称催化反应
野依良治发展
拓展
不对称环氧化反应 不对称双羟基化反应 夏普雷斯发现并发展
第四章 前沿与展望
Synthesis of L-DOPA:
MeO MeO
COOH NHCOCH3
+ H2
[Rh(R,R)-DIPAMP, COD]BF4
MeO MeO
COOH H3O HO
Metathesis 是希腊文字 meta (变化) 和 thesis (位置) 的组合，意思是 “变化位置”。在化学上称之为复分解 反，常常被用来描述下列过程：
AB + CD = AC + BD
在金属催化剂的作用下，两分子的烯烃交换与双键 相连的碳原子，而形成新的烯烃分子。
R1
R2 R1
R2
R1
R1 R2
同年，接着另一项专利中提到在 Al(i-Bu)3/MoO3/Al2O3 催化体系中可以将丙烯转变成丁烯和乙烯。
HH
H CH3 催化剂
H CH3 H H
+
+
H3C H
HH
H3C H
HH
丙烯
丙烯
丁烯
乙烯
1964 年 Googyear 轮 胎 公 司 化 学 家 第 一 次 提 出 了
“Olefin Metathesis Reaction”(烯烃复分解反应) 的名词。但
第四章 前沿与展望 烯烃的不对称双羟化反应
第四章 前沿与展望 手性胺配体
第四章 前沿与展望
不对称氨基羟基化反应(AA反应) 烃在烃基亚氨基锇化合物作用下转化为相应的邻氨基醇
第四章 前沿与展望 Privileged Chiral Catalysts
第四章 前沿与展望
不对称的aldol 反应及BOX配体
第四章 前沿与展望 手性酮催化的非官能团化烯烃的不对称环氧化反应
D-果糖
1. acetone, HClO4, 0oC 2. PCC, r.t.
第四章 前沿与展望 Sharpless双羟化反应
R1 R3
Chiral ligand (catalytic) oxidant (stoichiometric)
R1 Sept 1
M
R1
R1
M R1
R1
Sept 3
[M]
R1
Sept 2
Macromol. Chem., 1971, 141, 161
第四章 前沿与展望
Schrock 催化剂 商业利益和美妙的理论发现，使得
学术界开始盯紧了下一个共同目标：获
得具有确定结构的烯烃复分解反应的催
化剂。
非常幸运， Schrock 获得了第一个
R2
+
催化剂
+
R1
R2 R1
R2
R1
R1 R2
R2
第四章 前沿与展望
烯烃复分解反应－交换舞拌的反应
[M]=CR2 +
R2C=CR2*
[M] R2C
CR2 CR2*
[M]=CR2 +
R2C=CR2*
第四章 前沿与展望
按照反映过程中分子骨架的变化,可以分为五种情况:开 环复分解、开环复分解聚合、非环二烯复分解聚合、关环复 分解以及交叉复分解反应。
E. N. Jacobsen, Science, 2003, 299, 1691
第四章 前沿与展望 重氮基醋酸酯的环丙烷化
第四章 前沿与展望
Feng xiaoming Zhou qilin
Y. Tang*, et al Chem Commun, 2007, 1960-1962.
第四章 前沿与展望
金属催化的优缺点：
1、简便易行 2、产物的绝对构型可以预见 3、可靠性 4、高立体选择性 5、对原有手性中心不敏感 6、2，3-环氧醇可以进行多种转化 7、反应速度对烯丙醇的立体构型敏感
第四章 前沿与展望
Sharpless催化环氧化反应机理
第四章 前沿与展望 Salen配合物催化下非官能团化烯烃的不对称环氧化反应
第四章 前沿与展望
1. 配体昂贵，不易合成 2. 很多反应条件比较苛刻，要求无水无氧 3. 环境不太友好 4. 催化效果好，催化剂用量少
第四章 前沿与展望 有机小分子催化
Benjamin List
第四章 前沿与展望 烯胺机理
J. Am. Chem. Soc. 2000, 2395 J. Am. Chem. Soc. 2000,7386
R2 R4
OsO4 (catalytic) organic solvent/water
(AD-mix α or AD-mix β)
R2R1 RR3 4 HO OH
或
HO OH
R1 R2
R4R3
此后，夏普雷斯又把不对称氧化反应拓展到不对 称双羟基化反应。目前，不对称环氧化反应和双羟基 化反应己成为世界上应用最为广泛的化学反应。
烯烃复分解反应在天然产物合成中应用
天然产物合成是有机化学家综合研 究水平的集中表现。历史上有机化学的 每一个进步或者时代均是以天然产物合 成来划分。
天然产物的合成的意义一方面为了 显示有机化学家认识该科学的能力，另 一方面天然产物的合成巨大的商业价值。
合成方法的十化： 芯片化，组合化，模板化，定向化，设计化，基因工 程化，自组装化，手性化，原子经济化，绿色化。
第四章 前沿与展望
2、生命和医药科学中的化学问题
（1）把中国名医的处方和人体的生理病理状态作为 两个复杂体系来研究它们之间的 相互作用和 药 效。
（2）用组合化学的方法来筛选特效中药，并使中药 现代化。
for his work on chirally
hydrogenation reactions
catalysed oxidation reactions
W. S. Knowles
R. Noyori
K. B. Sharpless
第四章 前沿与展望
表彰他们在不对称催化反应研究领域取得的突 出贡献。
诺尔斯发明
M
交错复分解
R1
R1
关环复分解
开环复分解聚合
R1
非环复分解聚合
第四章 前沿与展望
烯烃复分解方法在有机合成中的地位
有机合成是有机化学的精髓。碳链的生成是有机合
成永恒的课题。烯烃复分解方法实现了新的碳链的生
成，为有机化合物的化学合成创造了机会。
烯烃复分解反应被公认为碳链生成反应中第五个里
程碑。
1. Grignard 反应
4、信息科学中的化学问题
1）高效的光纤通信材料，特别是可使激光得到增益 的稀土铒羼杂Si基微米材料。
2）高效的光贮存材料。 3）分子芯片。 4）分子计算机。
第四章 前沿与展望
The Nobel Prize in Chemistry 2001
for their work on chirally catalysed
结构确定的催化剂。该工作证明了 Chauvin 的 “交换舞拌” 机理的正确性。
不幸的是， Schrock 催化剂的制备 和使用都非常“贵族化”。需要无水无氧
的条件，而高价钼使得许多有机官能团 J. Am. Chem. Soc.,
受到干扰。活性高而缺乏选择性。
1990, 112, 3875.
第四章 前沿与展望
J. Am. Chem. Soc. 2000,9336
List et al Chem. Rev. 2007, 5471
第四章 前沿与展望
脯氨酸及其类似物（I）
第四章 前沿与展望
脯氨酸及其类似物（II）
第四章 前沿与展望 Triple Cascade Organocatalysis
第四章 前沿与展望
D. Enders et al, Nature, 2006, 441, 861.
程度。
Cl PCy3 Ru
Cl PCy3
Ph
Cl PCy3
Mes N Cl
N Mes
Ru
Ru
Cl
Ph
Ph
PCy3
Cl
Ph
PCy3
1st Generation Grubbs catalyst
1995
2st Generation Grubbs catalyst
1999
第四章 前沿与展望
催化剂的结构
第四章 前沿与展望
NHCOCH3
HO
COOH
NH2 L-DOPA
PP
OMe MeO (R,R)-DIPAMP
PPh2 PPh2
(R)-BINAP
(S)-BINAP
(R)-BINAP
第四章 前沿与展望
不对称氢化：
PPh2 PPh2
(R)-BINAP
XX
PPh2 PPh2
(S)-BINAP
R2P PR2
(R)-BIPHEMP R=Ph,X=Me (R)-BIPHEP R=c-Hex,X=Me MeOBIPHEP R=Ph,X=OMe
有机化学 Organic Chemistry
第四章 前沿与展望
吕成伟
第四章 前沿与展望
21世纪有机化学相关的前沿和热点 1、新的合成方法学
发现和寻找新合成方法是永久课题。目前，重要的是 为可持续发展提供新反应、新路线、新方法、现在使用的 化学品的安全替代物。此外，基于结构-功能关系设计-合 成新功能分子或功能材料；基于分子或合成子组装的合成、 构筑高级结构的研究，包括控制大分子缠绕、折叠和有序 聚集研究（多层次）；基于模拟生物材料形成过程的合成 方法研究等将得到进一步发展。
PPh2 PPh2 (S)-[2,2]PHANEPHOS
Fe
N(CH3)2
PPh2
PPh2
BPPFA
CHEt2 PPh2
Fe PPh2
CHEt2
(S,S)-FerroPHOS
第四章 前沿与展望
第四章 前沿与展望
烯丙醇的不对称环氧化（Sharpless环氧化反应）
第四章 前沿与展望
Sharpless环氧化反应的特点