有機(jī)合成基本知識課件

第二章有機(jī)合成的基礎(chǔ)知識一有機(jī)合成的一般原理1.1有機(jī)反應(yīng)的基本過程1.1.1鍵的斷裂均裂與異裂均裂:異裂:

離去基團(tuán)穩(wěn)定性確定難易程度正離子的穩(wěn)定性

1.1.2鍵的形成從共價(jià)鍵的本質(zhì)上看,碳-碳鍵的生成意味著成鍵的兩個(gè)原子間共享一對電子。按反應(yīng)機(jī)理分類,碳-碳鍵的形成可分為離子型、自由基型和協(xié)同型三種。但大多數(shù)生成碳-碳鍵的合成反應(yīng)是極性的。游離基結(jié)合成鍵異性電荷結(jié)合成鍵離子與中性分子成鍵斷鍵和成鍵同步發(fā)生分子內(nèi)重排1.1.3有機(jī)反應(yīng)的分類反應(yīng)類型：加成、消除、取代、縮合、重排、周環(huán)、氧化還原1.1.3.1加成（親電、親核、自由基加成）:1.1.3.2消除:

-消除-消除C先加成后消除:I羰基碳上的親核取代:II芳香碳上的親核取代III芳香碳上的親電取代IV芳香碳上的游離基取代1.1.3.4縮合1.1.3.5重排1.1.3.6周環(huán)反應(yīng)D-A反應(yīng):電環(huán)化反應(yīng):1.1.4相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)1相轉(zhuǎn)移催化的原理2相轉(zhuǎn)移的種類季銨鹽冠醚聚乙二醇20世紀(jì)70年代，東西方冷戰(zhàn)結(jié)束，和平與發(fā)展成了人類追求文明和進(jìn)步的共同主題，核戰(zhàn)爭已不再是威脅世界的第一危機(jī)，取而代之的是:

20世紀(jì)是化學(xué)工業(yè)蓬勃發(fā)展并對人類社會做出了重大貢獻(xiàn)的世紀(jì),20世紀(jì)也是人類對資源和環(huán)境破壞最嚴(yán)重的世紀(jì)。當(dāng)人類向征服大自然的目標(biāo)前進(jìn)時(shí)，也寫下了一部另人痛心的破壞大自然的記錄。環(huán)境危機(jī)二綠色有機(jī)合成2.1二十世紀(jì)十大環(huán)境危機(jī)2.2綠色化學(xué)概念:又稱環(huán)境友好化學(xué),是運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的原理的原理和方法來減少或消除化學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)或應(yīng)用中有害物質(zhì)的使用與產(chǎn)生‘使所研究開發(fā)的化學(xué)產(chǎn)品和過程更加對環(huán)境友好。在綠色化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展的技術(shù)成為綠色技術(shù)，理想的綠色技術(shù)是采用具有一定轉(zhuǎn)化率的高選擇性化學(xué)反應(yīng)來生產(chǎn)目的產(chǎn)品，不生產(chǎn)或很少生產(chǎn)副產(chǎn)物或廢物，實(shí)現(xiàn)或接近廢物的零排放，工藝過程使用無害的原料、溶劑或催化劑；生產(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品。綠色化學(xué)包含的內(nèi)容

1防止污染的產(chǎn)生優(yōu)于治理

2原子經(jīng)濟(jì)性

3采用毒性小的合成路線

4化學(xué)品的設(shè)計(jì)應(yīng)保留功效，降低毒性

5盡可能不使用輔助物質(zhì)，即使使用是無毒的

6降低能源消耗

7使用可再生資源

8避免衍生化步驟

9催化性試劑的使用

10產(chǎn)品在發(fā)揮功效后，降解成無害物質(zhì)11防止污染的快速檢測和控制12減少或消除制備和使用過程中的事故和隱患2.3以綠色化學(xué)的原理發(fā)展有機(jī)合成方法2.3.1原子經(jīng)濟(jì)性：原子利用率=預(yù)期產(chǎn)物的分子量/反應(yīng)物質(zhì)的原子量總和分子重排反應(yīng)、加成反應(yīng)是原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)；消除反應(yīng)、取代反應(yīng)是非原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)美國Stanford大學(xué)的B.M.Trost教授1991年首次提出反應(yīng)的“原子經(jīng)濟(jì)性”(AtomEconomy)概念，并獲得1998年美國“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”。A+B→C+D

主產(chǎn)物副產(chǎn)物E＋F→C原子經(jīng)濟(jì)性或原子利用率（％）＝（被利用原子的質(zhì)量/反應(yīng)中所使用的全部反應(yīng)物分子的質(zhì)量）×100產(chǎn)率（％）＝（產(chǎn)物的質(zhì)量/理論產(chǎn)量）×100原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)2.3.2、有機(jī)合成中常見反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性加成反應(yīng)：

例：烯烴的催化加氫：可用通式表示為：A＋B→C

原子利用率達(dá)到100％

CH3CH=CH2+H2CH3CH2CH3Ni例：Michael(邁克爾)反應(yīng):原子利用率達(dá)到100％

1.電環(huán)化反應(yīng)2.Diels-Alder反應(yīng)3.其它類型的環(huán)加成反應(yīng)(1)ene反應(yīng)（烯反應(yīng)）(2)丙烯離子的環(huán)加成反應(yīng)(3)1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)(4)卡賓的環(huán)加成反應(yīng)原子利用率100％分子內(nèi)的ene反應(yīng)例如(+)-β-香茅醛加熱可生成(-)-異胡薄荷醇:ene反應(yīng)是指含有丙烯型氫的烯烴與另一烯、炔進(jìn)行的加熱反應(yīng)。協(xié)同型反應(yīng)：Diels-Alder反應(yīng):

D-A反應(yīng)亦稱雙烯合成（dienesynthesis),是制備環(huán)狀化合物應(yīng)用最廣泛的合成方法之一，也是形成碳碳鍵的重要方法。(不對稱D-A反應(yīng))原子利用率：[82/（28+54）]×100%=100%D-A反應(yīng)是一個(gè)原子經(jīng)濟(jì)性的反應(yīng)例1.例2.Wittig反應(yīng)：反應(yīng)的產(chǎn)率可達(dá)80％以上，原子利用率僅有4％左右。Wittig試劑能發(fā)生多種有機(jī)反應(yīng)，是有機(jī)合成的重要中間體，廣泛用于碳碳雙鍵的形成。(生成的雙鍵處于原來羰基的位置)(反應(yīng)具有立體選擇性)例1.例2.無毒無害原料可再生資源

環(huán)境友好產(chǎn)品原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)高選擇性反應(yīng)無毒無害催化劑無毒無害溶劑2.3.3、綠色化學(xué)示意圖

2.3.4.1開發(fā)原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)丙酮-氰醇法:

甲基丙烯酸甲酯的生產(chǎn)方法:

原子利用率47％

原子利用率100％

鈀催化法:2.3.4綠色有機(jī)合成研究進(jìn)展目前，在基本有機(jī)原料的生產(chǎn)中，已有一些實(shí)現(xiàn)了原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)：如：丙烯氫甲酰化制丁醛甲醇羰基化制醋酸過渡金屬催化劑的研究，提供了一些很好的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)：在精細(xì)化工中原子利用率還很低，廢物排放量很大。原子利用率100％

2.3.4.2發(fā)現(xiàn)新合成方法提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性Brown法合成布洛芬，40.1%2.3.4.3開發(fā)新催化劑提高反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性環(huán)氧丙烷的生產(chǎn):氯醇法：原子利用率44.1%鈦硅-1(TS-1)分子篩作催化劑的過氧化氫氧化丙烯新工藝：原子利用率76.3%

2.3.4.4.利用可再生生物質(zhì)資源合成化學(xué)品生物質(zhì)是指由光合作用產(chǎn)生的所有生物有機(jī)體的總稱，糖、油脂、農(nóng)副產(chǎn)品。己二酸的生產(chǎn)

傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法:己二酸的生物技術(shù)路線：葡萄糖己二烯二酸己二酸細(xì)菌加氫

由碳水化合物通過發(fā)酵制備的乙醇，被稱為“綠色石油”，可直接用于汽車或摻加在汽油中。汽油中摻加乙醇不但可節(jié)省石油資源，還可提高辛烷值，減少污染物的排放。美國含10%乙醇的混合燃料的產(chǎn)量已占汽油總產(chǎn)量的8%。巴西從20世紀(jì)70年代中施行用甘蔗糖蜜生產(chǎn)乙醇的龐大計(jì)劃，乙醇年產(chǎn)量已達(dá)1.3×107噸，足夠300萬輛汽車使用，是世界上最大的發(fā)酵乙醇生產(chǎn)國。綠色石油2.3.4.5、酶促有機(jī)化學(xué)反應(yīng)

酶促有機(jī)化學(xué)反應(yīng)有以下特點(diǎn)：1、高效性；2、專一性；3、反應(yīng)條件溫和；4、對環(huán)境友好。1,8,22,29-四氮雜[8.1.8.1]對環(huán)蕃(CP66)模擬酶的合成研究進(jìn)展很快。如環(huán)蕃模擬酶研究：已發(fā)現(xiàn)的酶有2500多種，且有2萬多種具有催化作用的微生物，幾乎能催化所有的化學(xué)反應(yīng)。Computer-optimizedstructureofthecyclophane(CP66)andmostprobableinclusioncomplexgeometry(B),(C)withnaphthaleneasrepresentativesubstrateforpseudoequatorialinclusion.四氮雜環(huán)蕃的包合作用催化苯基丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的α-氨基酸的反應(yīng)速度是吡哆胺的31倍，對疏水性較強(qiáng)的苯基丙酮酸有選擇性，催化活性比相應(yīng)的β-CD還高。

環(huán)蕃化合物的酶模擬

2.3.4.6、不對稱合成藥物中手性有機(jī)化合物占50％以上。開發(fā)高選擇性的不對稱有機(jī)合成反應(yīng)是綠色化學(xué)重要的研究課題。2.3.4.7、二氧化碳的利用

二氧化碳化學(xué)固定，精細(xì)有機(jī)化學(xué)品合成的新技術(shù)，前景廣闊。

2.3.4.8.采用無毒、無害的原料

光氣，又稱碳酰氯，是一種重要的有機(jī)中間體，主要用于生產(chǎn)聚氨酯的基本原料異氰酸酯。甲苯二異氰酸酯氫氰酸同樣主要用于生產(chǎn)聚合物的單體如甲基丙烯酸系列產(chǎn)品、已二腈等重要有機(jī)化工原料。

慘痛的博帕爾毒氣事件由伯胺和碳酸二甲酯制造異氰酸酯:取代光氣和氫氰酸的綠色化學(xué)技術(shù)替代光氣制造異氰酸酯的工藝取代氫氰酸路線合成苯乙酸芐氯羰化合成苯乙酸：

傳統(tǒng)有毒原料的替代農(nóng)業(yè)廢棄物的利用2.3.4.9潔凈的反應(yīng)介質(zhì)超臨界流體CO2,（1.38Mpa,31度）近臨界水,（6Mpa,275度,對有機(jī)物相當(dāng)于丙酮或乙醇）離子液體、無溶劑體系、固相反應(yīng)、固定化溶劑以水為介質(zhì)的反應(yīng)

水相合成已取得重大進(jìn)展：用離子液體作為有機(jī)反應(yīng)的介質(zhì)已有不少報(bào)道。光降解塑料微生物降解塑料光-生物雙降解塑料2.3.4.10.環(huán)境友好產(chǎn)品綠色化學(xué)產(chǎn)品應(yīng)該具有兩個(gè)特征：

1、產(chǎn)品本身不會引起環(huán)境污染或健康問題，包括不會對野生生物、有益的昆蟲和植物造成損害；2、產(chǎn)品被使用后，在環(huán)境中可以降解為無害的物質(zhì)。保護(hù)大氣臭氧層的氟氯烴代用品也已開始使用，如1,1,1,2-四氟乙烷。

綠色化學(xué)產(chǎn)品成功例證：可降解塑料已在使用綠色農(nóng)藥也開始使用綠色涂料開始使用

綠色化學(xué)是當(dāng)今國際化學(xué)科學(xué)研究的前沿，它吸收了當(dāng)代化學(xué)、物理、生物、材料、信息等學(xué)科的最新理論和技術(shù)，是具有明確的社會需求和科學(xué)目標(biāo)的新興交叉學(xué)科。從科學(xué)觀點(diǎn)看，綠色化學(xué)是化學(xué)科學(xué)內(nèi)容的更新；從環(huán)境觀點(diǎn)看，它是從源頭上消除污染；從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，它合理利用資源和能源、降低生產(chǎn)成本，符合經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求。綠色化學(xué)已成為二十一世紀(jì)化學(xué)研究的重要方向之一。2.3.4.11合理使用能源有機(jī)合成中使用電能光能微波聲波2.3.4.12綠色有機(jī)合成概念

用簡單的、安全的、環(huán)境友好的、資源有效的步驟、通過合理的化學(xué)反應(yīng)將廉價(jià)、易得的起始原料轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的目標(biāo)分子的過程。三、有機(jī)合成官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換有機(jī)分子是由碳骨架及官能團(tuán)構(gòu)成，因此有機(jī)合成上的反應(yīng)可分為構(gòu)成碳骨架的反應(yīng)（特別是碳-碳鍵形成的反應(yīng)）和官能團(tuán)形成的反應(yīng)（官能團(tuán)導(dǎo)入、修飾/轉(zhuǎn)換和去除）按成鍵的方式劃分碳的骨架按成鍵的本質(zhì)劃分3.1親核試劑親核試劑是富電子的中性分子或帶負(fù)電荷的離子A雜原子親核中心（氧、硫、氮、膦、鹵親核試劑）B帶負(fù)電荷的親核試劑的親核性比其共軛酸強(qiáng)；親核性的增強(qiáng)一般與親核性的堿性增強(qiáng)的趨勢一致。C堿性與親核性不一致的情況元素周期表中從上到下親核性增強(qiáng)、堿性減弱，如Et2S與Et2O,膦與胺，I-與Cl-親核性隨位阻的增大而減弱，而堿性增強(qiáng)。在非質(zhì)子溶劑中，親核試劑的親核性比堿性增加顯著D碳親核試劑（C-C鍵）3.2親電試劑缺電子的中性分子及帶正電荷的離子根據(jù)成鍵特點(diǎn)分為Lewis酸:（BF3,Me3C+）

-鍵親電體:（R-LG)-鍵親電試劑:（C=O|、C=N、CN、C=S),碳-碳雙鍵或碳碳三鍵與吸電子基相連也是親電的0

-鍵親電試劑（離去基團(tuán)）鹵離子的親核性及離去能力優(yōu)良的離去基團(tuán)N2,CF3SO3、I-、Br-、TsO-、Cl-、EtOH、H2OOH及OR的離去及解決辦法（質(zhì)子化、ROR2+、磺酸酯）四逆合成分析的基本概念

是通過鍵的切斷（dis)、官能團(tuán)轉(zhuǎn)換(FGI)、官能團(tuán)添加(FGA)和鍵的重接(Reconnection)等操作將比較復(fù)雜的目標(biāo)分子（TM)推導(dǎo)出比較簡單易得的起始原料的過程。4.1切斷法醇、酮、羧酸、-氰醇、-羥基酮該如何切斷？常見的基團(tuán)該如何引入？目標(biāo)物的分析過程及合成過程合成路線：還有其它的方法嗎？A只要采用合理可靠的辦法均可以B在實(shí)驗(yàn)室研究、機(jī)理研究、工業(yè)生產(chǎn)中可能采用不同的合成路線歐洲榆小蠹信息素分析過程：合成過程：4.1.1路線設(shè)計(jì)是合成的關(guān)鍵4.1.2逆合成分析法中可有多種不同的思路

4.1.3使用逆合成應(yīng)注意的幾點(diǎn)

A優(yōu)先考慮分子骨架的形成

B拆時(shí)要考慮到合

C嘗試從不同部位將分子拆開

D回推到適當(dāng)階段將分子拆開4.2合成子2.2.1合成子(synthons)的概念2.2.2合成子的分類離子型合成子、游歷基型合成子及協(xié)同型合成子三類。2.2.3試劑與合成子的關(guān)系合成子是試劑的活性存在形式。例如:合成子CH3-試劑CH3Li;合成子CH3+試劑CH3I

某一試劑的負(fù)極性碳原子(供電子體doner,簡稱d)與另一試劑的正極性碳原子(電子接受體acceptor,簡稱a)結(jié)合,生成一個(gè)新的碳-碳共價(jià)鍵。在合成中,形式上作為碳負(fù)離子和碳正離子使用的活性形式分別稱為供電子合成子和電子接受體合成子,他們來自各種帶有官能團(tuán)的試劑。(下式X=雜原子,FG=官能團(tuán))如果官能團(tuán)本身的碳原子C-1具有活性,則該試劑為d1或a1試劑;

如果-碳原子(C-2)是反應(yīng)中心,該試劑為d2或a2試劑;如果-碳原子(C-3)是反應(yīng)中心,則成為d3或a3試劑;沒有官能團(tuán)的烷基合成子成為烷基化合成子(Rd、Ra);官能團(tuán)中電負(fù)性的雜原子與電子接受體形成共價(jià)鍵,成為d0合成子。d試劑具有親核性,a試劑具有親電性。d合成子試劑a合成子試劑山楂花香精的逆合成分析苯佐卡因的分析及合成4.2.4極性轉(zhuǎn)換(umpolung)4.2.4.1鍵的極性A成鍵的兩個(gè)原子均享成鍵的一對電子(如C-C,C-H),這類化合物表