有機合成化學及實驗緒論PPT課件

.,1,0.1有機合成化學及實驗目的和任務,0.1.1有機合成化學定義,有機合成化學是研究用人工方法合成、制備有機化合物的理論和方法的科學。,在通過使用大量的時間分離、測定了天然物的化學結(jié)構后，再用人工的方法合成這種結(jié)構，用以驗證這種結(jié)構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)略過程。,.,2,利用有機合成化學制造天然化合物，確切地確定天然物的結(jié)構、性質(zhì)和用途，輔助生物學的研究，揭開自然界的奧妙；利用有機合成化學的原理和方法，應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為基礎，再組合這些合成反應以獲得目標化合物的合成設計及策略。,0.1.2有機合成化學及實驗目的,.,3,0.1.3有機合成化學及實驗任務,內(nèi)容：基本有機合成和精細有機合成.任務：以豐富的天然資源如煤、石油、動植物等為原料，加工成有機產(chǎn)品。特點是：產(chǎn)量大，質(zhì)量要求低，加工相對粗糙，工藝簡單。應用：合成農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、香料、材料等。,.,4,0.2有機合成化學及實驗基本知識,0.2.1基礎技術,（1）以有機化學的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，可進行多種類型的反應。（2）以羰基反應為中心。（3）碳骼的建立和碳與官能團的結(jié)合。（4）氧化態(tài)。（5）反應的類型。,.,5,骨架和官能團都無變化。例如，第爾斯-阿爾德反應：,骨架不變而官能團變化。例如，呋喃與氨在高溫下反應得吡咯：,骨架變化，官能團無變化。例如，,-不飽和酮與硫葉立德反應生成環(huán)丙烷：,骨架和官能團都變化。例如，由1,3-環(huán)己酮合成長鏈脂肪二元酸，4-甲基壬二酸：,.,6,0.2.2實驗技術實驗室安全與記錄。常用儀器、裝置及合成操作。反應產(chǎn)物的分離、純化和波譜分析。空氣敏感化合物的操作。常用有機溶劑、試劑和氣體的純化。,.,7,合成反應的評價標準：（1）高的反應產(chǎn)率（2）溫和的反應條件（3）優(yōu)異的反應選擇性，包括化學選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性等（4）易于獲得的反應起始原料（5）化學計量反應向催化循環(huán)反應發(fā)展（6）對環(huán)境污染盡量少,0.2.3基本方法,.,8,1.化學選擇性化學選擇性反應是：試劑對不同官能團的選擇性反應。因為不同的官能團有不同的活性，若反應中所使用的某種試劑對一個有多種官能團的分子起反應時，只對其中某個官能團作用，這種特定的選擇性就是化學選擇性。化學選擇性反應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：,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于一個反應體系的不同部位的進攻，也可以是對兩個處于不同位置的完全相同官能團的選擇性進攻。區(qū)域選擇包括環(huán)氧化合物的開環(huán)，烯烴的氧化，環(huán)加成，導向基、保護基、活化基的選擇等。,.,10,3.立體選擇性凡在一個反應中，一個立體異構體的產(chǎn)生超過（一般是大大超過）另外其他可能的立體的反應。分為：順反異構的選擇和對映選擇及非對映選擇等。,.,11,0.2.4有機合成路線設計方法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。-蒎烯是我國松節(jié)油中的主要成分，利用它作原料進行一些化學轉(zhuǎn)化，可以合成芳樟醇、高質(zhì)量龍腦、光學活性樟腦、二氫月桂烯醇、新檀香等系列產(chǎn)品，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。,.,12,松節(jié)油合成農(nóng)藥增效劑單萜烯基酰亞胺反應如下：,龍涎酮（具有強烈的龍涎香和木香的香氣）合成如下：,.,13,2.利用新反應合成Wittig反應發(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、白三烯等精細化學品的合成中得到了廣泛應用，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、酰胺時條件溫和、產(chǎn)率好，于是進而合成了一些烯型的天然產(chǎn)物，如：吡啶甲醛,.,15,3.特定目標分子的合成在反合成中目標分子可以拆成哪些部分使合成能有效地、簡化地進行。此時，應考慮根據(jù)目標分子的結(jié)構，可分成主體結(jié)構部分和反合成中要變化的部分。并由此找到目標起始物原料。如：,FGI：官能團互換；con：閉環(huán),.,16,4.有機合成設計的三步第一步是對這個分子的結(jié)構特征和已知的理化性質(zhì)進行收集和考察。由此可簡化合成問題或者避免不必要的彎路。如角鯊烯是30個碳的三萜分子的一個中心對稱的化合物：,.,17,第二步是以上述分析為基礎，進而一步一步倒推出合成此目標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來形成分子骨架，改變分子骨架上的官能團，從而最終獲得目標分子。第三步是從合成方向上進行審查，對合成樹剪裁、取舍，留下最佳路線。,.,18,三萜,.,19,0.3有機合成化學的產(chǎn)生和發(fā)展0.3.1初創(chuàng)期（19世紀和20世紀前半葉）,1856年Hofmann的助手，18歲的青年學生Perkin在英國皇家化學學會試圖按照無機反應的方法，用鉻酸鹽氧化從煤焦油中提取的烯丙基對甲苯胺合成抗瘧疾藥物奎寧：,他沒有成功，卻意外地得到了色澤能與天然染料茜紅和靛藍媲美的苯胺紫。為從煤焦油制染料的工業(yè)創(chuàng)造了一個良好的開端。今天我們有了關于結(jié)構的知識，知道烯丙基對甲苯胺與奎寧結(jié)構之間存在巨大差別，因此當年Perkin的實驗當然不會成功。,.,20,Williams以氫氧化鉀作用于不純的N-乙酰喹啉鹽，合成了第一個菁染料。,1863年，Hofmann在柏林大學建立了規(guī)模較大有機化學實驗室，進行了染料、香料、醫(yī)藥合成研究。研究成果的應用給德國帶來了巨大的利益。1871年，德國煤化學工業(yè)技術占世界首位。1873年，德國染料工業(yè)產(chǎn)量、質(zhì)量都超過了盛極一時的英國。帶動了紡織工業(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工業(yè)。,.,21,到了20世紀上半葉，由于現(xiàn)代有機結(jié)構理論的初步確立和大批有機反應的發(fā)現(xiàn)，逐漸建立了通過有機化學反應的規(guī)律來進行有機合成的研究。大部分有機人名反應便是在這個時期出現(xiàn)的，有機合成工作開始了緩慢的進步。這個時期最有名的合成例子有血紅素、顛茄酮、馬萘雌酮。前兩個化合物的合成者是諾貝爾化學獎的獲得者。,0.3.2藝術期（20世紀40-60年代）,有機合成沒有一個嚴格的公式可以遵循，它與個人的技巧、經(jīng)驗和熟練程度很有關系。正如印度化學家NityaAnand所說的“把有機合成和繪畫、雕刻、音樂相比擬，應當作為一種藝術看待”，藝術高的幾筆就畫出了一件漂亮的作品。Woodward所說：“有機合成中有激動、有探險，也有挑戰(zhàn)，也可包含著偉大的藝術”，有機合成進入藝術時期。,.,22,20世紀50年代初，二茂鐵的發(fā)現(xiàn)和鍵夾心結(jié)構的闡明；硼氫化反應、Wittig反應及銅試劑、鋰試劑、硼烷試劑、硅烷試劑等的相繼出現(xiàn)；有機分離、分析新方法乃至有機化學的新理論如Woodward-Hofmann規(guī)則、構象分析等成果促進了有機合成的快速發(fā)展，也顯著地促進了整個有機化學的快速發(fā)展。,.,23,0.3.3科學和藝術融合期（20世紀6090年代）,20世紀60年代以后有機合成設計、有機合成策略提了出來，其中最著名的，也是后來影響最大的是美國哈佛大學E.J.Corey提出的反合成分析概念。Corey從合成的目標分子出發(fā)，根據(jù)其結(jié)構特征和對合成反應的知識進行邏輯分析，并利用其經(jīng)驗和推理技術，最后設計出巧妙的合成路線，使合成工作從一向認為是“科學藝術”發(fā)展成為可以計劃的“系統(tǒng)工程”。,70年代，有機合成的重大發(fā)展還在于致力于控制合成反應的選擇性，包括分子中不同官能團上的化學選擇性，不同部位上的區(qū)域選擇性和更精細的立體選擇性。有機合成的高選擇性反應是8090年代研究的熱點。,.,24,80年代，我國把研究重點放在國際前沿的以導向有機合成為目標的金屬有機化學，已經(jīng)取得了一批可喜的成果，如陸熙炎院士的二價鈀催化的缺電子三鍵與雙鍵的-丁內(nèi)酯合成等，表明了我國金屬有機化學的研究已進入世界前沿。,0.3.4發(fā)展時期,1.以天然產(chǎn)物為目標的有機合成化學,中國是世界上植物資源最豐富的國家之一，僅高等植物就有3.2萬余種，食用植物2000余種，藥用植物3000余種，研究領域極為廣闊。例如，據(jù)有關國際組織估計，今后10年全球藥品銷售將年均增長7%，2010年將達到6800億7200億美元。國際植物藥物增長勢頭更為迅猛，10年后將達到1000億美元的銷售規(guī)模。因此，以天然產(chǎn)物為目標的研究是人類可持續(xù)發(fā)展保證的重要方面。,.,25,2.與生命科學相結(jié)合的有機合成化學,化學與生命科學相結(jié)合有三層含義：一是有機合成選擇生命科學中的重要物質(zhì)為合成對象；二是將生物方法用于有機合成；三是二者巧妙結(jié)合產(chǎn)生一些全新的分支領域。,生物方法在有機合成中的應用也越來越受到重視。如酶在有機合成中的應用是受到重視的一個熱點，特別是在一些手性分子的制備上更顯出它的重要性，對于一個酶體系來說，它的獨特的選擇性是無與倫比的，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過渡態(tài)分子相結(jié)合，而抗體則與基態(tài)分子相結(jié)合。,.,26,3.與材料科學相結(jié)合的有機合成化學,有機功能材料（包括功能高分子）是近年來是發(fā)展較快的領域。有機功能材料的優(yōu)點是較易從功能出發(fā)進行設計，也較易合成。致命的缺點是有機化合物的穩(wěn)定性問題。因此，在工作條件不太苛刻時，有機材料將是十分優(yōu)越的。,有機-無機復合以至金屬摻和的材料，更顯示出廣闊的應用前景。新催化劑的合成也是一個重要方面。有機合成化學的研究歷來是與理論化學的研究緊密結(jié)合的，有機合成的研究能促進有機反應機理中一系列理論問題的研究，有助于人們對各類各種有機反應規(guī)律的理解與掌握。,.,27,0.4綠色有機合成化學,綠色有機合成化學是人類對生態(tài)環(huán)境關注的必然產(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)，有機合成化學家必須進行合成的合理反應設計、高效率高選擇的反應來實現(xiàn)零排放。,20世紀90年代初，化學家提出了與傳統(tǒng)的“治理污染”不同的“綠色化學”的概念，即如何從源頭上減少、甚至消除污染的產(chǎn)生。通過研究和改進化學化工過程及相應的工藝技術，從根本上降低以至消除副產(chǎn)品或廢棄物的生成，從而達到保護和改善環(huán)境的目的。,.,28,綠色合成化學的目標要求是：防止污染的產(chǎn)生優(yōu)于治理產(chǎn)生的污染；原子經(jīng)濟性；只要反應可行，盡量采用毒性小的、更安全的化學合成路線，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)，用時應是無毒的；考慮到能源消耗對環(huán)境和經(jīng)濟的影響，并應盡量少地使用能源；原料應是可再生的，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，能降解為無害物質(zhì)；分析方法必須進一步發(fā)展，以使在有害物質(zhì)生成前能夠進行即時的和在線跟蹤及控制；在化學轉(zhuǎn)換過程中，所選用的物質(zhì)和物質(zhì)的形態(tài)應能盡可能地降低發(fā)生化學事故的可能性。,.,29,0.4.1綠色有機合成化學原理和發(fā)展,1.原子經(jīng)濟性,1991年，著名化學家B.M.Trost提出以“原于經(jīng)濟性”的觀念來評估化學反應的效率，也就是，要考察有多少反應物分子進入到最后的產(chǎn)物分子。理想的“原子經(jīng)濟性”反應，應該是有100的反應物轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)物中，而沒有副產(chǎn)物生成。傳統(tǒng)的有機合成化學比較重視反應產(chǎn)物的收率，而較多地忽略了副產(chǎn)物或廢棄物的生成。,實現(xiàn)“原子經(jīng)濟性”的目標是一個漫長的過程?？茖W工作者應該自覺地用“原子經(jīng)濟性”的原則去審視已有的有機合成反應，并努力開發(fā)符合“原子經(jīng)濟性”原則的新反應。,.,30,2.發(fā)展高選擇性、高效的催化劑,1)催化的不對稱合成反應,獲得單一手性分子的方法中，外消旋體拆分是一個重要途徑。但是，理想的產(chǎn)率也只能達到50；另一半異構體只能廢棄，而可能對環(huán)境造成污染。利用催化的不對稱反應以提高目標手性分子產(chǎn)率，是有機合成化學研究的熱點和前沿，也是有關手性藥物研究的主要興趣之一。2001年的諾貝爾化學獎授予了Knowles，Noyori和Sharpless三位化學家，以表彰他們在催化不對稱反應的研究方面所取得的卓越成就，也說明開展催化不對稱反應研究的重要意義。,.,31,2)生物轉(zhuǎn)化反應生物轉(zhuǎn)化反應非常符合綠色化學的要求：具有高效、高選擇性和清潔反應的特點；反應產(chǎn)物單純，易分離純化；可避免使用貴金屬和有機溶劑；能源消耗低；可以合成一些用化學方法難以合成的化合物。,生物轉(zhuǎn)化合成反應的研究可集中在以下幾個方面：發(fā)現(xiàn)新的高活性和高選擇性的酶催化劑；擴展酶促反應的適用范圍；利用生