刘志莲

1. 有 机 合 成 化 学 刘志莲 chm_liuzl@ujn.edu.cn

2. 第一章 绪 论--有机合成化学的现状与展望

3. 1.1 有机合成的任务-------------5 1.2 有机合成化学发展回顾------7 1.3 有机合成方法学-----------19 1.3.1 热力学与动力学问题--------------------20 1.3.2 立体化学问题-----------------------------21 1.3.3 反应的选择性问题-----------------------24 1.4 有机合成的展望------------31 1.5、有机合成面临的挑战-------37 1.6 文献的查阅----------------39

4. 化学是一门中心的、有用的、创造性的科学。 --R. Breslow (美国化学会会长，哥伦比亚大学教授) 这本书用简洁、清晰的语言向公众说明，化学对于人类文明生活的实际贡献以及化学是如何作出这些贡献的 .

5. 化学的核心是合成化学 --徐光宪（中国科学院院士，北京大学教授，中国化学会理事长） 徐光宪，著名物理化学家，无机化学家，教育家，中国科学院院士。获得多项学术大奖,被誉为中国“稀土之父” 。著作有《物质结构》、《稀土的溶剂萃取》等。 有机合成化学是有机化学中最富有活力的分支学科

6. 1.1 有机合成的任务 有机合成：指利用化学方法将原料(包括有机物和无机物)制备成新的有机物的过程。在工厂中和在实验室中进行的有机合成有着很大的不同。

7. 在有机合成工业中，按承担任务的不同分为两大类：在有机合成工业中，按承担任务的不同分为两大类： 1.基本有机合成工业 任务：利用化学合成的方法将廉价易得的天然资源（如煤、石油、天然气等）及其初步加工品和副产品（如电石、煤焦油、渣油等）加工成最基本的有机原料（如乙烯、丙烯、丁二烯、苯甲苯、二甲苯、乙炔、萘等，简称三烯、二苯、一炔、一萘）以及由上述原料再加工成化学工业各部门和其他有关工业所大量需用的重要有机原料（如乙醇、甲醛、乙酸、丙酮、苯酚、苯酐等）。这些二级产品的生成过程又称为重要机合成工业。 特点：产品量大，质量要求不高，加工粗糙，生产操作较简单。

8. 2. 精细有机合成工业 任务：合成农药、药物、染料、香料等。 特点：产品量小，品种多，质量要求高，生产操作过程细致而复杂。 • 在实验室中，合成化学家的目的： • （1）在实验室内用人工的方法来复制自然界的产物，用以证明它的结构，并加以利用。 • （2）根据人们的需要来改造分子结构或创造出全新的结构。

9. 1.2 有机合成化学发展回顾 • （1）最早的有机化学是对天然物质，例如树皮、血液、酵母和蜗牛等进行研究而建立起来的。当时没有什么合成，就靠生命物质本身制备各种各样性质不同、结构复杂程度不同的物质。早期的化学家基本上从天然来源的混合物中提取比较纯的化合物。 • 1828年Wohler用典型的无机物合成了尿素，从一定程度上改变了当时流行的“生命力”学说，开始了近代有机化学以及有机合成的历史。1845年，H. Kolbe从单质元素合成乙酸，并第一次用到“合成”这个单词，彻底终结“生命力”学说。

10. （2）1856年，W.H.Perkin合成苯胺紫，这是第一个人工合成染料，第一个工业有机合成，是有机合成化学史的一个里程碑。（2）1856年，W.H.Perkin合成苯胺紫，这是第一个人工合成染料，第一个工业有机合成，是有机合成化学史的一个里程碑。 • 苯胺紫合成是一个非目标性产物：在合成奎宁（金鸡纳碱，C20H24N2O2—1820年提取制备，1908年确定结构）时的意外产物。 奎宁全合成是在88年后的1944年由Woodward完成的。 苯胺紫虽然成就了德国的染料工业，但其结构直到138年后的1994年才确定下来（两个酚嗪鎓燃料混合物）。

11. 人类第一个合成染料——苯胺紫的发明故事 珀金偶然发现苯胺紫，就是一个有目的的大胆探索过程。1856年，霍夫曼（A.W.Hoffmann）敏锐地预见到有机化学在医学上的应用，提出了人工合成奎宁的设想，并将这一想法告诉了他的学生珀金。真是初生牛犊不怕虎，对奎宁一无所知的珀金竟大胆地向霍夫曼表示，他将解决奎宁合成问题。当时，珀金正从事煤焦油的研究。他想，既然从煤焦油中提取的丙烯基甲基苯胺的元素成分与奎宁相同，若能把两个丙烯基甲基苯胺分子合起来，再加一些重铬酸钾以补足所缺的氧原子，不就可以合成奎宁了吗？ 珀金的实验并没有成功，因为当时人们 对奎宁的分子结构并不清楚，但他的探索 并非盲目，而是有目的的，是在当时的 化学理论指导下进行的。

12. （3）尿素合成之后，19世纪最重要的全合成是E.Fisher完成的(+)-葡萄糖合成。在该目标化合物合成过程中，立体化学的控制是其对合成化学最大的贡献。 E.Fisher由此获得1902年诺贝尔化学奖。 • （4）1917年，R.Robinson合成了托品酮。开创了系统的有机合成方法，反应机制和化学结构关系等的研究。并第一次开设了有机合成课程。 R.Robinson获得1947年诺贝尔化学奖。 托品酮 阿托品硫酸盐的中间体。 Emil Fischer Sir Robert Robinson

13. 近代有机合成的功绩首推Robert Robinson: • （1）化学结构和反应性及反应过程之间的关系 • （2）将机理分析应用于有机合成。 • （3）使有机合成第一次成为一门课程。 • 20世纪结构理论、色谱技术等的发展，特别是50年代NMR技术开始应用于有机化合物结构测定，大大推动了有机合成化学的发展。

14. （5）20世纪50-70年代，R.B.Woodward巧妙合成了利血平，胆甾醇，维生素B12和红霉素（18个手性中心）等许多结构复杂的天然产物，将有机合成发展到前所未有的水平。（5）20世纪50-70年代，R.B.Woodward巧妙合成了利血平，胆甾醇，维生素B12和红霉素（18个手性中心）等许多结构复杂的天然产物，将有机合成发展到前所未有的水平。 R. B. Woodward的名言 • 合成对象是不能变动的，既不能单凭勤恳，也不能仅凭灵机一动就进行工作，而必须按照计划来进行。

15. R. B. Woodward--- 一位不断向最复杂的天然有机物分子挑战的人 • 他完成的全合成有： • （1）奎宁（1944年） （7）叶绿素（1960年） • （2）胆甾醇（1951年） （8）维生素B12(1973年，15年， • 一百多人参加） • （3）马钱子碱（1954年） (9) 红霉素(262144个异构体之一， • 49人参加） • （4）羊毛甾醇（1954年） • （5）利血平（1958年） • （6）四环素（1962年）

16. Woodward和维生素B12

17. （6） 20世纪70年代，合成热点是前列腺素。 • Corey发展了手性合成理论和方法，并系统建 • 立了逆合成分析方法，并荣获1990年诺贝尔化学奖。 • （7） 20世纪80年代，B.Merrifield发展了 • 固相合成技术，获得1984年诺贝尔奖。 • （8）1989年，哈佛大学教授Kishi合成了海葵毒素（分子式：C129H223N3O54,分子量2680，64个手性中心，7个骨架内双键，可能的异构体是271），被称为是世纪工程。它的合成被誉为有机合成的珠穆朗玛峰。

18. C129H223N3O54, 分子量2680， 64个手性中心

19. 为了验证并扩充化学理论而合成有结构兴趣的非天然产物型新化合物为了验证并扩充化学理论而合成有结构兴趣的非天然产物型新化合物 合成计划的成功证实了某些理论，也导致另一些理论的修正，同时还制造出一些未曾有过的化合物。这些新化合物有些可能已经有某种用途，但有些在当时还不知道有什么用途，只是由于结构新奇引起合成化学家的兴趣而合成的。这也是允许的，因为当初至少在理论上是有一定目的的。这类化合物叫“化学珍品”(chemical curiosity),例如某些环蕃(cyclophanes)。化学珍品首先在理论上有意义。由于它们有结构上的特点，必然有性质上的特点，因此推断会有特殊的用途，只是一时没有被认识而已。

20. 香港中文大学黄乃正等人成功地合成了1,2,7,8-二苯并[2,2]环蕃。它是一种有张力的由4个苯环连接而成的一种环蕃类有机物。环蕃中还有很多有趣的化合物。两个或两个以上的苯环，以饱和或不饱和碳碳键对位相接，形成各种不同的、几个苯环成平行面的结构：香港中文大学黄乃正等人成功地合成了1,2,7,8-二苯并[2,2]环蕃。它是一种有张力的由4个苯环连接而成的一种环蕃类有机物。环蕃中还有很多有趣的化合物。两个或两个以上的苯环，以饱和或不饱和碳碳键对位相接，形成各种不同的、几个苯环成平行面的结构：

21. Cook合成了十字四烯(Stauren-tetraene)。对该化合物的兴趣在于探索中心碳原子的4个键是否平铺。还有一种化合物叫窗烷(fenestrane)。它不仅有理论意义，而且在自然界中确实存在一种二萜(diterpene)化合物，它的分子中具有窗烷的结构骨架。分别见下页。Cook合成了十字四烯(Stauren-tetraene)。对该化合物的兴趣在于探索中心碳原子的4个键是否平铺。还有一种化合物叫窗烷(fenestrane)。它不仅有理论意义，而且在自然界中确实存在一种二萜(diterpene)化合物，它的分子中具有窗烷的结构骨架。分别见下页。 还有一类化合物叫富勒烯(fullerene)，它们品种繁多，都有分子式(CH)x。在理论上，当x = 4时，分子是四面体；当当x = 6时，分子是八面体烷；当x = 8时，分子是立方体烷。

23. C60 (Buckminsterfullerane) • C180 • 《化学学报》，48，1216（1990） • C70 • Taylor, R. et al, J. Chem. Soc., Chem. Commu., 1423 (1990). C60发现者Robert F. Curl Jr.  柯尔

25. 1.3 有机合成方法学 • 好的合成反应的评价标准： • （1）高的反应产率 • （2）温和的反应条件 • （3）优异的反应选择性，包括化学选择性、区域选 • 择性和立体选择性等 • （4）易于获得的反应起始原料 • （5）尽可能使化学计量反应向催化循环反应发展 • （6）对环境污染尽量少

26. 1.3.1 热力学与动力学问题 在一定条件下，反应能否发生和进行的方向与限度如何，是合成工作者最为关心的问题之一，即是合成的热力学问题。它对新反应的设计与传统反应的改造具有重大意义。 △ G = △H -T△S △ G≤ 0，热力学上有利的反应 一般有机反应温度不高，除缩合反应以外，反应前后分子数改变不大，故可忽略△S项，近似地由标准状态下的△H 判断反应的可行性。 即使热力学上合理的反应，由于没有涉及反应的进程和速度，以致许多热力学上可行的反应因速度太小而毫无价值。 反应速度问题靠动力学解决。动力学的过渡态理论认为，反应分子之间通过形成过渡态才能得到产物： A+B-C[A  B C] A-B + C

27. 过渡态形成的难易取决于活化自由能的大小， △G越大，过渡态越难形成，反应速度也越小。所以，只有△G小的反应才具有合成意义。 有机反应的方向很少是单一的，很多时候都伴随发生副反应，形成竞争反应： AB/C，产物的分布与产物的生成速度和稳定性有关。如果B的稳定性大于C，而C的形成速度大于B时，在反应不可逆的情况下，以形成速度大的C为主要产物，这时称为按动力学因素控制。如果反应可逆，则以更稳定的B为主要产物，这时称反应按热力学因素控制。在合成中，控制不同的条件，可使反应受不同的因素控制而按需要的方式进行，从而控制所需产物。

28. 1.3.2 立体化学问题 立体化学是有机化学领域中的一个重要方面，也是有机合成的一个值得注意的问题。它包括作用物、试剂和产物的立体构型、反应的空间位阻、过渡态的立体化学要求以及不对称合成等。

29. 构型不同的有机分子，其化学性质有时会表现出某些差异。例如，顺丁烯二酸可在较低温度下失水生成酸酐，也能发生双烯合成反应；而反丁烯二酸则不行。光学活性的有机分子，其反应性更为复杂，而且这种反应性的差异表现在动力学的不同方面。构型不同的有机分子，其化学性质有时会表现出某些差异。例如，顺丁烯二酸可在较低温度下失水生成酸酐，也能发生双烯合成反应；而反丁烯二酸则不行。光学活性的有机分子，其反应性更为复杂，而且这种反应性的差异表现在动力学的不同方面。 反应的立体进程关系产物的构型和分布。动态立体化学关于过渡态以及中间体的优势构象与立体化学问题，不仅关联反应的速度，而且还关联合成预定的目标能否实现。 例如内消旋2,3-二溴丁烷脱Br2得反式烯烃，而光学活性体则得顺式烯烃，就是过渡态的优势构象不同所致。这种影响，对环状反应物或经历环状过渡态而进行的反应将更为突出。 在合成中为了得到指定构型的产物，需要利用立体专属性的反应。例如，为了得到顺式环氧化物，就需要顺式烯烃与过酸作用，而反式烯烃则得不到反式产物。这种反应是立体专属性的。

30. 其它例如SN2反应、催化氢化反应、酯的热消除反应等也都是立体专属性的。其它例如SN2反应、催化氢化反应、酯的热消除反应等也都是立体专属性的。 在合成中，利用光学活性的反应物或试剂作为诱导剂，形成以某种立体异构体为主的合成策略称为不对称合成。不对称合成的效率，一般用对映体过量的百分数％ee (enantiomeric excess percent)表示： ％ee = ％R-％S 0％ee表示产物消旋化，100％ee表示立体专属性反应。由于R和S构型的百分含量很难测定，实际过程中，通常用某构型的比旋光度与混合物的比旋光度之比来计算％ee，并定义该比值为产物的光学纯度，用%op(optical purity percent)表示。它在数值上与％ee相等。0％op表示产物消旋化，100％op则表示纯对映异构体产物。 ％op = [ ]混合物/[]纯对映体× 100 = ％ee

31. 1.3.3 反应的选择性问题 反应的选择性分为三类：化学选择性、位置选择性和立体选择性。 化学选择性是一种区别基团的反应选择性。一般情况下，不同基团对同一试剂所表现的活性相差很大，反应中容易控制。但是分子中不同位置的相同基团对同一试剂的化学选择性则较低。通常，只有两个基团的反应速度相差100倍以上时，才能使试剂主要与一个基团作用，而另一个基团所受影响很小。如果速度相差达不到上述要求，则可用基团保护法，暂时将不需要反应的基团封闭起来，待反应完成后，再释放出原来的基团。

32. 位置选择性指反应中，反应试剂定向地进攻作用物的某一个位置，从而生成指定结构的产物。例如：位置选择性指反应中，反应试剂定向地进攻作用物的某一个位置，从而生成指定结构的产物。例如： 在有机合成中，几乎各类反应都存在位置选择性，巧妙地对这种选择性加以利用，是保证实现预期目的的一个重要手段。

34. 某种反应物在指定条件下，唯一或主要生成一种立体异构体的反应叫立体选择反应。这种选择性常与作用物的位阻、过渡态的立体要求以及反应条件有关。某种反应物在指定条件下，唯一或主要生成一种立体异构体的反应叫立体选择反应。这种选择性常与作用物的位阻、过渡态的立体要求以及反应条件有关。

35. H 在羰基与Grignard试剂的加成或用LiAlH4还原的反应中，亲核的R-或H-总是倾向于从位阻小的一面进攻羰基碳，使产物中某种立体异构体占优势，例如上述反应。第一个反应中苏式构型占67％，赤式构型占33％。 两个手性碳原子上的氢原子在同侧者称为赤(藓)型，在异侧者称为苏(阿)型。在全重叠式构象中，至少有两组相同的或相似的取代基重叠的称为赤型；否则称为苏型。

36. 卤代烷脱卤化氢、叔胺的季铵化反应等也都是立体选择性的。如果反应形成新的手性中心，立体选择性反应则又是不对称合成反应。它的关键在于试剂进攻的方位大大优先于另一个非对映体形成的方位，从而生成以一种非对映体为主的产物。这样，立体选择性反应避免了产物的消旋化，从而避免了拆分对映异构体的困难。卤代烷脱卤化氢、叔胺的季铵化反应等也都是立体选择性的。如果反应形成新的手性中心，立体选择性反应则又是不对称合成反应。它的关键在于试剂进攻的方位大大优先于另一个非对映体形成的方位，从而生成以一种非对映体为主的产物。这样，立体选择性反应避免了产物的消旋化，从而避免了拆分对映异构体的困难。 一些重要的选择性反应包括下列类型： a.利用复氢化物试剂的还原反应。NaBH4一般只能还原醛、酮为醇，而LiAlH4还可还原包括羧酸及其衍生物在内的所有羰基化合物。 b.催化氢化。碳碳双键、叁键、氰基被氢化时，羰基、芳环可不受影响。当烯烃与炔烃共存时，由于叁键易被催化剂吸附，从而使叁键比双键易被氢化。 c.羰基的亲核加成。不同羰基化合物活性为： RCOCl,RCHO  RCOR’PhCO-,C=C-CO-RCOOR’ RCONR’2 RCO2-

37. d. 烯烃的亲电加成。通常按Markovnikov规则定向，H或其它亲电体加到含H多的双键碳上。烯烃一般不与亲核试剂作用。 e. 消除反应。溶液中进行的消除反应以反式消除为主，一般生成双键上取代基多的烯烃，而热消除反应则为顺式消除，得取代少的烯烃。 f. SN2反应。如果底物中心碳原子具有手性，反应后产物构型发生反转。 g. 酯化反应。伯、仲、叔醇酯化难易次序为：伯醇  仲醇  叔醇

38. 有机合成方法研究进展 • 合成策略及理论 • （1）逐步合成法（Stepwise elongation）和片段组合法 (Fragment condensation) • 合成一个复杂的大分子化合物，可以采用两种合成途径：

39. a.从起始原料开始一步一步进行合成的逐步合成法; • b.先合成若干片段，最后将各个片段连接成目标分子的片段组合法。 • * 在实际的合成中，采用何种策略，则需要进行具体的分析。例如： • 多肽合成可以选择肽链逐步增长法，即氨基酸残基是一个一个依次加上去的。另一种是片断组合法，即先合成一些小的肽段，然后再将小肽段偶联成多肽。

40. 两种多肽合成策略比较 • （合成一个多肽a-b-c-d-e-f-g-h) • 肽链逐渐增长法 片断组合法 • gh ab cd ef gh • fgh abcd efgh • efgh abcdefgh • defgh • cdefgh • bcdefgh • abcdefgh • 产率: a7 (a8-1) a3 = alog28 • （８为多肽中氨基酸残基数目）

41. 比较两种合成策略的优缺点： • 对于合成分子量不大的多肽，两种方法都可以采用。但是如果要合成分子量大的多肽，则一般应采用片断组合法。 • 例如，合成含有32个氨基酸残基的多肽，如果要求总的产率为30%, 对于片断组合法，则要求每一步的平均产率为78%；而对于肽链逐步增长法，则要求每一步产率为96.2%。

42. （2）拆分法(Disconnection approach) • 拆分法是为了解决复杂有机分子全合成的合成路线设计发展起来的一种合成设计理论。它的基本思想是将目标化合物分子拆分成一系列片段，应用化学反应知识，确定每一个片段相对应的起始原料和化学反应。 • 又叫逆合成分析法：从目标结构开始采用一系列逻辑推理方法推出起始原料及合成路线的方法。

43. 例如： • 所有的起始原料确定后，再设计全合成路线。在实施合成时，可以采用逐步合成法或片段组合法进行合成。

44. （3）计算机辅助有机合成路线设计 • a. 化学信息学和化学信息数据库 • 与有机合成有关常用数据库： • * 现有化学品数据库 • * 有机化学反应数据库 • * 合成方法和转化数据库 • * 合成方法参考文献库 • * 保护基团数据库 • * 杂环合成数据库

45. b. 应用各种数据库设计合成路线 • * 整体设计法： • 目标化合物  三维结构  数据处理  搜索（从所选择的数据库中）  修改  可能合成路线 • * 分步设计法： • 先将目标化合物分解为结构单元，再按数据库提供的信息，一步一步进行设计。

46. 1.4 有机合成的展望 1.4.1 与生命科学相结合的有机合成化学 • 含意： • （1） 有机合成选择生命科学中的重要 • 物质作为合成对象。 （2） 把生物方法用于有机合成。 • （3） 二者巧妙结合产生一些全新的分支 • 领域。

47. 生物方法在有机合成中的应用

48. 生物技术在有机合成中的应用 • 随着现代生物技术发展，生物技术在有机合成中的应用越来越引起人们的重视。毫无疑问，生物技术不可能代替传统的有机合成技术，但是，生物技术的引进，将大大扩展人们的视野，丰富了有机合成的内容。

49. 酶学方法 • 基本原理：某些酶在适当的条件下，具有较广的底物适应性，可以催化非天然底物的反应。 • 主要反应类型：水解反应、氧化还原反应、缩合反应、重排反应等。 • 特点：反应条件温和，副反应少，具有优异的立体或区域选择性。

50. 酶在有机合成中的应用： • 催化特殊有机合成反应，特别是复杂手性分子的合成。 • 零污染有机合成。 • 关键是：酶促反应的底物适应性、反应效率、反应条件。 • 新发展：有机溶剂中的酶促反应。