有機(jī)合成化學(xué)及實(shí)驗(yàn)緒論P(yáng)PT課件

.,1,0.1有機(jī)合成化學(xué)及實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù),0.1.1有機(jī)合成化學(xué)定義,有機(jī)合成化學(xué)是研究用人工方法合成、制備有機(jī)化合物的理論和方法的科學(xué)。,在通過(guò)使用大量的時(shí)間分離、測(cè)定了天然物的化學(xué)結(jié)構(gòu)后，再用人工的方法合成這種結(jié)構(gòu)，用以驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)是否可以滿足人們更多的需要，并且還可以根據(jù)人們的需要改造這種結(jié)構(gòu)或是創(chuàng)造出全新的物質(zhì)，合成是一種有創(chuàng)造力的、奇妙的戰(zhàn)略過(guò)程。,.,2,利用有機(jī)合成化學(xué)制造天然化合物，確切地確定天然物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途，輔助生物學(xué)的研究，揭開(kāi)自然界的奧妙；利用有機(jī)合成化學(xué)的原理和方法，應(yīng)用基本的原料和試劑制造非天然的、具有特殊性能的、有意義的新化合物。以各種類型的合成反應(yīng)為基礎(chǔ)，再組合這些合成反應(yīng)以獲得目標(biāo)化合物的合成設(shè)計(jì)及策略。,0.1.2有機(jī)合成化學(xué)及實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.,3,0.1.3有機(jī)合成化學(xué)及實(shí)驗(yàn)任務(wù),內(nèi)容：基本有機(jī)合成和精細(xì)有機(jī)合成.任務(wù)：以豐富的天然資源如煤、石油、動(dòng)植物等為原料，加工成有機(jī)產(chǎn)品。特點(diǎn)是：產(chǎn)量大，質(zhì)量要求低，加工相對(duì)粗糙，工藝簡(jiǎn)單。應(yīng)用：合成農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、香料、材料等。,.,4,0.2有機(jī)合成化學(xué)及實(shí)驗(yàn)基本知識(shí),0.2.1基礎(chǔ)技術(shù),（1）以有機(jī)化學(xué)的C，H，O，N和鹵素基本元素為主，發(fā)展到周期表中的多種元素，可進(jìn)行多種類型的反應(yīng)。（2）以羰基反應(yīng)為中心。（3）碳骼的建立和碳與官能團(tuán)的結(jié)合。（4）氧化態(tài)。（5）反應(yīng)的類型。,.,5,骨架和官能團(tuán)都無(wú)變化。例如，第爾斯-阿爾德反應(yīng)：,骨架不變而官能團(tuán)變化。例如，呋喃與氨在高溫下反應(yīng)得吡咯：,骨架變化，官能團(tuán)無(wú)變化。例如，,-不飽和酮與硫葉立德反應(yīng)生成環(huán)丙烷：,骨架和官能團(tuán)都變化。例如，由1,3-環(huán)己酮合成長(zhǎng)鏈脂肪二元酸，4-甲基壬二酸：,.,6,0.2.2實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室安全與記錄。常用儀器、裝置及合成操作。反應(yīng)產(chǎn)物的分離、純化和波譜分析。空氣敏感化合物的操作。常用有機(jī)溶劑、試劑和氣體的純化。,.,7,合成反應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：（1）高的反應(yīng)產(chǎn)率（2）溫和的反應(yīng)條件（3）優(yōu)異的反應(yīng)選擇性，包括化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性等（4）易于獲得的反應(yīng)起始原料（5）化學(xué)計(jì)量反應(yīng)向催化循環(huán)反應(yīng)發(fā)展（6）對(duì)環(huán)境污染盡量少,0.2.3基本方法,.,8,1.化學(xué)選擇性化學(xué)選擇性反應(yīng)是：試劑對(duì)不同官能團(tuán)的選擇性反應(yīng)。因?yàn)椴煌墓倌軋F(tuán)有不同的活性，若反應(yīng)中所使用的某種試劑對(duì)一個(gè)有多種官能團(tuán)的分子起反應(yīng)時(shí)，只對(duì)其中某個(gè)官能團(tuán)作用，這種特定的選擇性就是化學(xué)選擇性?；瘜W(xué)選擇性反應(yīng)包括還原和氧化兩種。例如在雙鍵存在下，三丙基鋁還原羰基的反應(yīng)：,用NaBH4還原戊烯酮，在加入CeCl3后，選擇性還原羰基而不還原烯鍵：,.,9,2.區(qū)域選擇性區(qū)域選擇性是指試劑對(duì)于一個(gè)反應(yīng)體系的不同部位的進(jìn)攻，也可以是對(duì)兩個(gè)處于不同位置的完全相同官能團(tuán)的選擇性進(jìn)攻。區(qū)域選擇包括環(huán)氧化合物的開(kāi)環(huán)，烯烴的氧化，環(huán)加成，導(dǎo)向基、保護(hù)基、活化基的選擇等。,.,10,3.立體選擇性凡在一個(gè)反應(yīng)中，一個(gè)立體異構(gòu)體的產(chǎn)生超過(guò)（一般是大大超過(guò)）另外其他可能的立體的反應(yīng)。分為：順?lè)串悩?gòu)的選擇和對(duì)映選擇及非對(duì)映選擇等。,.,11,0.2.4有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)方法1.利用原料和中間體等合成天然產(chǎn)物:石油、煤、天然氣、松脂等；中間體：化工中間體；天然產(chǎn)物活性成分。-蒎烯是我國(guó)松節(jié)油中的主要成分，利用它作原料進(jìn)行一些化學(xué)轉(zhuǎn)化，可以合成芳樟醇、高質(zhì)量龍腦、光學(xué)活性樟腦、二氫月桂烯醇、新檀香等系列產(chǎn)品，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。,.,12,松節(jié)油合成農(nóng)藥增效劑單萜烯基酰亞胺反應(yīng)如下：,龍涎酮（具有強(qiáng)烈的龍涎香和木香的香氣）合成如下：,.,13,2.利用新反應(yīng)合成Wittig反應(yīng)發(fā)現(xiàn)后，迅速成為合成碳-碳雙鍵的重要方法，在天然產(chǎn)物維生素A、前列腺素、昆蟲信息素、白三烯等精細(xì)化學(xué)品的合成中得到了廣泛應(yīng)用，并已由磷元素發(fā)展到了硫、硒、碲元素等。,蚊子產(chǎn)卵地的信息素合成：,.,14,黃耀曾等發(fā)現(xiàn)砷葉立德合成共軛的醛、酮、酰胺時(shí)條件溫和、產(chǎn)率好，于是進(jìn)而合成了一些烯型的天然產(chǎn)物，如：吡啶甲醛,.,15,3.特定目標(biāo)分子的合成在反合成中目標(biāo)分子可以拆成哪些部分使合成能有效地、簡(jiǎn)化地進(jìn)行。此時(shí)，應(yīng)考慮根據(jù)目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)，可分成主體結(jié)構(gòu)部分和反合成中要變化的部分。并由此找到目標(biāo)起始物原料。如：,FGI：官能團(tuán)互換；con：閉環(huán),.,16,4.有機(jī)合成設(shè)計(jì)的三步第一步是對(duì)這個(gè)分子的結(jié)構(gòu)特征和已知的理化性質(zhì)進(jìn)行收集和考察。由此可簡(jiǎn)化合成問(wèn)題或者避免不必要的彎路。如角鯊烯是30個(gè)碳的三萜分子的一個(gè)中心對(duì)稱的化合物：,.,17,第二步是以上述分析為基礎(chǔ)，進(jìn)而一步一步倒推出合成此目標(biāo)分子的各種路線和可能的易得起始原料，既反合成。合成中間使用各種各樣的反應(yīng)來(lái)形成分子骨架，改變分子骨架上的官能團(tuán)，從而最終獲得目標(biāo)分子。第三步是從合成方向上進(jìn)行審查，對(duì)合成樹(shù)剪裁、取舍，留下最佳路線。,.,18,三萜,.,19,0.3有機(jī)合成化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展0.3.1初創(chuàng)期（19世紀(jì)和20世紀(jì)前半葉）,1856年Hofmann的助手，18歲的青年學(xué)生Perkin在英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)試圖按照無(wú)機(jī)反應(yīng)的方法，用鉻酸鹽氧化從煤焦油中提取的烯丙基對(duì)甲苯胺合成抗瘧疾藥物奎寧：,他沒(méi)有成功，卻意外地得到了色澤能與天然染料茜紅和靛藍(lán)媲美的苯胺紫。為從煤焦油制染料的工業(yè)創(chuàng)造了一個(gè)良好的開(kāi)端。今天我們有了關(guān)于結(jié)構(gòu)的知識(shí)，知道烯丙基對(duì)甲苯胺與奎寧結(jié)構(gòu)之間存在巨大差別，因此當(dāng)年P(guān)erkin的實(shí)驗(yàn)當(dāng)然不會(huì)成功。,.,20,Williams以氫氧化鉀作用于不純的N-乙酰喹啉鹽，合成了第一個(gè)菁染料。,1863年，Hofmann在柏林大學(xué)建立了規(guī)模較大有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行了染料、香料、醫(yī)藥合成研究。研究成果的應(yīng)用給德國(guó)帶來(lái)了巨大的利益。1871年，德國(guó)煤化學(xué)工業(yè)技術(shù)占世界首位。1873年，德國(guó)染料工業(yè)產(chǎn)量、質(zhì)量都超過(guò)了盛極一時(shí)的英國(guó)。帶動(dòng)了紡織工業(yè)（合成纖維）、制藥工業(yè)（阿司匹林）、油漆工業(yè)和合成橡膠工業(yè)的發(fā)展，形成了幾十億馬克的煤化學(xué)工業(yè)。,.,21,到了20世紀(jì)上半葉，由于現(xiàn)代有機(jī)結(jié)構(gòu)理論的初步確立和大批有機(jī)反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，逐漸建立了通過(guò)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律來(lái)進(jìn)行有機(jī)合成的研究。大部分有機(jī)人名反應(yīng)便是在這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的，有機(jī)合成工作開(kāi)始了緩慢的進(jìn)步。這個(gè)時(shí)期最有名的合成例子有血紅素、顛茄酮、馬萘雌酮。前兩個(gè)化合物的合成者是諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者。,0.3.2藝術(shù)期（20世紀(jì)40-60年代）,有機(jī)合成沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的公式可以遵循，它與個(gè)人的技巧、經(jīng)驗(yàn)和熟練程度很有關(guān)系。正如印度化學(xué)家NityaAnand所說(shuō)的“把有機(jī)合成和繪畫、雕刻、音樂(lè)相比擬，應(yīng)當(dāng)作為一種藝術(shù)看待”，藝術(shù)高的幾筆就畫出了一件漂亮的作品。Woodward所說(shuō)：“有機(jī)合成中有激動(dòng)、有探險(xiǎn)，也有挑戰(zhàn)，也可包含著偉大的藝術(shù)”，有機(jī)合成進(jìn)入藝術(shù)時(shí)期。,.,22,20世紀(jì)50年代初，二茂鐵的發(fā)現(xiàn)和鍵夾心結(jié)構(gòu)的闡明；硼氫化反應(yīng)、Wittig反應(yīng)及銅試劑、鋰試劑、硼烷試劑、硅烷試劑等的相繼出現(xiàn)；有機(jī)分離、分析新方法乃至有機(jī)化學(xué)的新理論如Woodward-Hofmann規(guī)則、構(gòu)象分析等成果促進(jìn)了有機(jī)合成的快速發(fā)展，也顯著地促進(jìn)了整個(gè)有機(jī)化學(xué)的快速發(fā)展。,.,23,0.3.3科學(xué)和藝術(shù)融合期（20世紀(jì)6090年代）,20世紀(jì)60年代以后有機(jī)合成設(shè)計(jì)、有機(jī)合成策略提了出來(lái)，其中最著名的，也是后來(lái)影響最大的是美國(guó)哈佛大學(xué)E.J.Corey提出的反合成分析概念。Corey從合成的目標(biāo)分子出發(fā)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征和對(duì)合成反應(yīng)的知識(shí)進(jìn)行邏輯分析，并利用其經(jīng)驗(yàn)和推理技術(shù)，最后設(shè)計(jì)出巧妙的合成路線，使合成工作從一向認(rèn)為是“科學(xué)藝術(shù)”發(fā)展成為可以計(jì)劃的“系統(tǒng)工程”。,70年代，有機(jī)合成的重大發(fā)展還在于致力于控制合成反應(yīng)的選擇性，包括分子中不同官能團(tuán)上的化學(xué)選擇性，不同部位上的區(qū)域選擇性和更精細(xì)的立體選擇性。有機(jī)合成的高選擇性反應(yīng)是8090年代研究的熱點(diǎn)。,.,24,80年代，我國(guó)把研究重點(diǎn)放在國(guó)際前沿的以導(dǎo)向有機(jī)合成為目標(biāo)的金屬有機(jī)化學(xué)，已經(jīng)取得了一批可喜的成果，如陸熙炎院士的二價(jià)鈀催化的缺電子三鍵與雙鍵的-丁內(nèi)酯合成等，表明了我國(guó)金屬有機(jī)化學(xué)的研究已進(jìn)入世界前沿。,0.3.4發(fā)展時(shí)期,1.以天然產(chǎn)物為目標(biāo)的有機(jī)合成化學(xué),中國(guó)是世界上植物資源最豐富的國(guó)家之一，僅高等植物就有3.2萬(wàn)余種，食用植物2000余種，藥用植物3000余種，研究領(lǐng)域極為廣闊。例如，據(jù)有關(guān)國(guó)際組織估計(jì)，今后10年全球藥品銷售將年均增長(zhǎng)7%，2010年將達(dá)到6800億7200億美元。國(guó)際植物藥物增長(zhǎng)勢(shì)頭更為迅猛，10年后將達(dá)到1000億美元的銷售規(guī)模。因此，以天然產(chǎn)物為目標(biāo)的研究是人類可持續(xù)發(fā)展保證的重要方面。,.,25,2.與生命科學(xué)相結(jié)合的有機(jī)合成化學(xué),化學(xué)與生命科學(xué)相結(jié)合有三層含義：一是有機(jī)合成選擇生命科學(xué)中的重要物質(zhì)為合成對(duì)象；二是將生物方法用于有機(jī)合成；三是二者巧妙結(jié)合產(chǎn)生一些全新的分支領(lǐng)域。,生物方法在有機(jī)合成中的應(yīng)用也越來(lái)越受到重視。如酶在有機(jī)合成中的應(yīng)用是受到重視的一個(gè)熱點(diǎn)，特別是在一些手性分子的制備上更顯出它的重要性，對(duì)于一個(gè)酶體系來(lái)說(shuō)，它的獨(dú)特的選擇性是無(wú)與倫比的，酶是一類很重要的催化劑。酶與抗體是有差別的，酶是選擇性地與反應(yīng)過(guò)渡態(tài)分子相結(jié)合，而抗體則與基態(tài)分子相結(jié)合。,.,26,3.與材料科學(xué)相結(jié)合的有機(jī)合成化學(xué),有機(jī)功能材料（包括功能高分子）是近年來(lái)是發(fā)展較快的領(lǐng)域。有機(jī)功能材料的優(yōu)點(diǎn)是較易從功能出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，也較易合成。致命的缺點(diǎn)是有機(jī)化合物的穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，在工作條件不太苛刻時(shí)，有機(jī)材料將是十分優(yōu)越的。,有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合以至金屬摻和的材料，更顯示出廣闊的應(yīng)用前景。新催化劑的合成也是一個(gè)重要方面。有機(jī)合成化學(xué)的研究歷來(lái)是與理論化學(xué)的研究緊密結(jié)合的，有機(jī)合成的研究能促進(jìn)有機(jī)反應(yīng)機(jī)理中一系列理論問(wèn)題的研究，有助于人們對(duì)各類各種有機(jī)反應(yīng)規(guī)律的理解與掌握。,.,27,0.4綠色有機(jī)合成化學(xué),綠色有機(jī)合成化學(xué)是人類對(duì)生態(tài)環(huán)境關(guān)注的必然產(chǎn)物。是為了使生態(tài)環(huán)境和人類可持續(xù)發(fā)展相協(xié)調(diào)，有機(jī)合成化學(xué)家必須進(jìn)行合成的合理反應(yīng)設(shè)計(jì)、高效率高選擇的反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)零排放。,20世紀(jì)90年代初，化學(xué)家提出了與傳統(tǒng)的“治理污染”不同的“綠色化學(xué)”的概念，即如何從源頭上減少、甚至消除污染的產(chǎn)生。通過(guò)研究和改進(jìn)化學(xué)化工過(guò)程及相應(yīng)的工藝技術(shù)，從根本上降低以至消除副產(chǎn)品或廢棄物的生成，從而達(dá)到保護(hù)和改善環(huán)境的目的。,.,28,綠色合成化學(xué)的目標(biāo)要求是：防止污染的產(chǎn)生優(yōu)于治理產(chǎn)生的污染；原子經(jīng)濟(jì)性；只要反應(yīng)可行，盡量采用毒性小的、更安全的化學(xué)合成路線，避免不必要的衍生化步驟；盡可能避免使用輔助物質(zhì)(溶劑、分離劑等)，用時(shí)應(yīng)是無(wú)毒的；考慮到能源消耗對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響，并應(yīng)盡量少地使用能源；原料應(yīng)是可再生的，而非將耗竭的；催化性試劑(有盡可能好的選擇性)優(yōu)于當(dāng)量性試劑；化工產(chǎn)品在完成其使命后不殘留在環(huán)境中，能降解為無(wú)害物質(zhì)；分析方法必須進(jìn)一步發(fā)展，以使在有害物質(zhì)生成前能夠進(jìn)行即時(shí)的和在線跟蹤及控制；在化學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，所選用的物質(zhì)和物質(zhì)的形態(tài)應(yīng)能盡可能地降低發(fā)生化學(xué)事故的可能性。,.,29,0.4.1綠色有機(jī)合成化學(xué)原理和發(fā)展,1.原子經(jīng)濟(jì)性,1991年，著名化學(xué)家B.M.Trost提出以“原于經(jīng)濟(jì)性”的觀念來(lái)評(píng)估化學(xué)反應(yīng)的效率，也就是，要考察有多少反應(yīng)物分子進(jìn)入到最后的產(chǎn)物分子。理想的“原子經(jīng)濟(jì)性”反應(yīng)，應(yīng)該是有100的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)物中，而沒(méi)有副產(chǎn)物生成。傳統(tǒng)的有機(jī)合成化學(xué)比較重視反應(yīng)產(chǎn)物的收率，而較多地忽略了副產(chǎn)物或廢棄物的生成。,實(shí)現(xiàn)“原子經(jīng)濟(jì)性”的目標(biāo)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。科學(xué)工作者應(yīng)該自覺(jué)地用“原子經(jīng)濟(jì)性”的原則去審視已有的有機(jī)合成反應(yīng)，并努力開(kāi)發(fā)符合“原子經(jīng)濟(jì)性”原則的新反應(yīng)。,.,30,2.發(fā)展高選擇性、高效的催化劑,1)催化的不對(duì)稱合成反應(yīng),獲得單一手性分子的方法中，外消旋體拆分是一個(gè)重要途徑。但是，理想的產(chǎn)率也只能達(dá)到50；另一半異構(gòu)體只能廢棄，而可能對(duì)環(huán)境造成污染。利用催化的不對(duì)稱反應(yīng)以提高目標(biāo)手性分子產(chǎn)率，是有機(jī)合成化學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿，也是有關(guān)手性藥物研究的主要興趣之一。2001年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了Knowles，Noyori和Sharpless三位化學(xué)家，以表彰他們?cè)诖呋粚?duì)稱反應(yīng)的研究方面所取得的卓越成就，也說(shuō)明開(kāi)展催化不對(duì)稱反應(yīng)研究的重要意義。,.,31,2)生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)非常符合綠色化學(xué)的要求：具有高效、高選擇性和清潔反應(yīng)的特點(diǎn)；反應(yīng)產(chǎn)物單純，易分離純化；可避免使用貴金屬和有機(jī)溶劑；能源消耗低；可以合成一些用化學(xué)方法難以合成的化合物。,生物轉(zhuǎn)化合成反應(yīng)的研究可集中在以下幾個(gè)方面：發(fā)現(xiàn)新的高活性和高選擇性的酶催化劑；擴(kuò)展酶促反應(yīng)的適用范圍；利用生