有机合成基本知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,异裂:,离去基团稳定性确定难易程度,正离子的稳定性,1.1.2 键的形成,从共价键的本质上看,碳-碳键的生成意味着成键的两个原子间共享一对电子。,按反应机理分类,碳-碳键的形成可分为离子型、自由基型和协同型三种。但大多数生成碳-碳键的合成反应是极性的。,游离基结合成键,异性电荷结合成键,离子与中性分子成键,1.1.3 有机反应的分类,反应类型：加成、消除、取代、缩合、重排、周环、氧化还原,1.1.3.1 加成（亲电、亲核、自由基加成）:,1.1.3.2 消除:,-消除,-消除,1.1.3.3 取代:,A 同步取代:,常见试剂:,OH,-,RO,-,RS,-,RCO,2,-,炔基，CN,-,NH,3,R,3,N,B 先消除后加成:,C 先加成后消除:,I 羰基碳上的亲核取代:,II 芳香碳上的亲核取代,III芳香碳上的亲电取代,IV芳香碳上的游离基取代,1.1.3.4 缩合,1.1.3.5 重排,1.1.3.6 周环反应,D-A反应:,电环化反应:,III 螯键反应,IV,-迁移重排,1.1.3.7 氧化-还原反应,1.1.4 相转移催化技术,1 相转移催化的原理,2 相转移的种类,季铵盐 冠醚 聚乙二醇,20世纪70年代，东西方冷战结束，和平与发展成了人类追求文明和进步的共同主题，核战争已不再是威胁世界的第一危机，取而代之的是:,20世纪是化学工业蓬勃发展并对人类社会做出了重大贡献的世纪,20世纪也是人类对资源和环境破坏最严重的世纪。当人类向征服大自然的目标前进时，也写下了一部另人痛心的破坏大自然的记录。,环境危机,二 绿色有机合成,2.1 二十世纪十大环境危机,1990年提出绿色化学（Green Chemistry）.,1962年，美国科学家卡逊女士（R.Carson）发表警世之作 寂静的春天（Silent Spring）.,“是什么东西使得美国无以数计的城镇的春天之音沉寂下来了泥？这本书试探着给与解答。”,摘自寂静的春天,绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学，而在其基础上发展起来的技术称为绿色技术、环境友好技术或清洁生产技术。,70,80,年代一系列环保著作相继问世。,2.2 绿色化学,概念:又称环境友好化学,是运用现代科学技术的原理的原理和方法来减少或消除化学产品的设计、生产或应用中有害物质的使用与产生使所研究开发的化学产品和过程更加对环境友好。,在绿色化学的基础上发展的技术成为绿色技术，理想的绿色技术是采用具有一定转化率的高选择性化学反应来生产目的产品，不生产或很少生产副产物或废物，实现或接近废物的零排放，工艺过程使用无害的原料、溶剂或催化剂；生产环境友好的产品。,绿色化学包含的内容1防止污染的产生优于治理2原子经济性3采用毒性小的合成路线4 化学品的设计应保留功效，降低毒性5 尽可能不使用辅助物质，即使使用是无毒的6 降低能源消耗7 使用可再生资源8 避免衍生化步骤9 催化性试剂的使用10 产品在发挥功效后，降解成无害物质,11 防止污染的快速检测和控制,12 减少或消除制备和使用过程中的事故和隐患,2.3 以绿色化学的原理发展有机合成方法,2.3.1 原子经济性：,原子利用率=预期产物的分子量/反应物质的原子量总和,分子重排反应、加成反应是原子经济性反应；消除反应、取代反应是非原子经济性反应,美国Stanford大学的B.M.Trost教授1991年首次提出反应的“原子经济性”(Atom Economy)概念，并获得1998年美国“总统绿色化学挑战奖”。,A +B C +D,主产物 副产物,E F C,原子经济性,或,原子利用率,（）（被利用原子的质量/反应中所使用的全部反应物分子的质量）100,产率,（）（产物的质量/理论产量）100,原子经济反应,2.3.2、有机合成中常见反应的原子经济性,加成反应：,例：烯烃的催化加氢：,可用通式表示为：A B C,原子利用率达到100,CH,3,CH=CH,2,+H,2,CH,3,CH,2,CH,3,Ni,例：,Michael(迈克尔)反应:,原子利用率达到100,1.电环化反应,2.Diels-Alder反应,3.其它类型的环加成反应,(1)ene反应（烯反应）,(2)丙烯离子的环加成反应,(3)1,3-偶极环加成反应,(4)卡宾的环加成反应,原子利用率100,分子内的ene反应,例如(+)-香茅醛加热可生成(-)-异胡薄荷醇:,ene反应是指含有丙烯型氢的烯烃与另一烯、炔进行的加热反应。,协同型反应：,重排反应：,例：Claisen重排：,重排反应可用通式表示为：AB,原子利用率100,例：Cope重排:,(碳氧键参加的3,3迁移反应),(碳碳键参加的3,3重排),原子利用率100,Diels-Alder反应:,D-A反应亦称双烯合成（diene synthesis),是制备环状化合物应用最广泛的合成方法之一，也是形成碳碳键的重要方法。,(不对称D-A反应),原子利用率：,82/（28+54）100%=100%,D-A反应是一个原子经济性的反应,例1.,例2.,Wittig反应：,反应的产率可达80以上，原子利用率仅有4左右。,Wittig试剂能发生多种有机反应，是有机合成的重要中间体，广泛用于碳碳双键的形成。,(生成的双键处于原来羰基的位置),(反应具有立体选择性),例1.,例2.,消除反应：,例：季铵碱的热消除反应：,原子利用率不高。,CH,3,CH,2,CH,2,N,+,(CH,3,),3,OH,-,CH,3,CH=CH,2,+N(CH,3,),3,+H,2,O,Hofmann类型的1,6-消除反应广泛用于各种环蕃化合物的合成。,无毒无害原料,可再生资源,环境友好产品,原子经济反应,高选择性反应,无毒无害,催化剂,无毒无害,溶剂,2.3.3、绿色化学示意图,2.3.4.1 开发原子经济反应,丙酮-氰醇法:,甲基丙烯酸甲酯的生产方法:,原子利用率,47,原子利用率100,钯催化法:,2.3.4 绿色有机合成研究进展,目前，在基本有机原料的生产中，已有一些实现了原子经济性反应：,如：丙烯氢甲酰化制丁醛,甲醇羰基化制醋酸,过渡金属催化剂的研究，提供了一些很好的原子经济性反应：,在精细化工中原子利用率还很低，废物排放量很大。,原子利用率100,2.3.4.2 发现新合成方法提高反应的原子经济性,Brown法合成布洛芬,，40.1%,2.3.4.3 开发新催化剂提高反应的原子经济性,环氧丙烷的生产:,氯醇法：,原子利用率 44.1%,钛硅-1(TS-1)分子筛作催化剂的过氧化氢氧化丙烯新工艺：,原子利用率76.3%,2.3.4.4.,利用可再生生物质资源合成化学品,生物质是指由光合作用产生的所有生物有机体的总称，,糖、油脂、农副产品。,己二酸的生产,传统的生产方法:,己二酸的生物技术路线：,葡萄糖 己二烯二酸 己二酸,细菌,加氢,由碳水化合物通过发酵制备的乙醇，被称为“绿色石油”，可直接用于汽车或掺加在汽油中。汽油中掺加乙醇不但可节省石油资源，还可提高辛烷值，减少污染物的排放。,美国含10%乙醇的混合燃料的产量已占汽油总产量的8%。巴西从20世纪70年代中施行用甘蔗糖蜜生产乙醇的庞大计划，乙醇年产量已达1.310,7,吨，足够300万辆汽车使用，是世界上最大的发酵乙醇生产国。,绿色石油,2.3.4.5、酶促有机化学反应,酶促有机化学反应有以下特点：1、高效性；2、专一性；3、反应条件温和；4、对环境友好。,1,8,22,29,-,四氮杂8.1.8.1对环蕃(CP,66,),模拟酶的合成研究进展很快。如环蕃模拟酶研究：,已发现的酶有2500多种，且有2万多种具有催化作用的微生物，几乎能催化所有的化学反应。,Computer-optimized structure of the cyclophane(CP66)and most probable inclusion complex geometry(B),(C)with naphthalene as representative substrate for pseudoequatorial inclusion.,四氮杂环蕃的包合作用,催化苯基丙酮酸转变为相应的,-氨基酸的反应速度是吡哆胺的,31,倍，对疏水性较强的苯基丙酮酸有选择性，催化活性比相应的,-,CD,还高。,环蕃化合物的酶模拟,2.3.4.6、不对称合成,药物中手性有机化合物占50以上。,开发高选择性的不对称有机合成反应是绿色化学重要的研究课题。,2.3.4.7、二氧化碳的利用,二氧化碳化学固定，精细有机化学品合成的新技术，前景广阔。,2.3.4.8.采用无毒,、无害的原料,光气，又称碳酰氯，是一种重要的有机中间体，主要用于生产聚氨酯的基本原料异氰酸酯。,甲苯二异氰酸酯,氢氰酸同样主要用于生产聚合物的单体如甲基丙烯酸系列产品、已二腈等重要有机化工原料。,惨痛的博帕尔毒气事件,由伯胺和碳酸二甲酯制造异氰酸酯:,取代光气和氢氰酸的绿色化学技术,替代光气制造异氰酸酯的工艺,取代氢氰酸路线合成苯乙酸,苄氯羰化合成苯乙酸：,传统有毒原料的替代,农业废弃物的利用,2.3.4.9 洁净的反应介质,超临界流体CO2,（1.38Mpa,31度）,近临界水,（6Mpa,275度,对有机物相当于丙酮或乙醇）,离子液体、无溶剂体系、固相反应、固定化溶剂,以水为介质的反应,水相合成已取得重大进展：,用离子液体作为有机反应的介质已有不少报道。,光降解塑料,微生物降解塑料,光-生物双降解塑料,2.3.4.10.环境友好产品,绿色化学产品应该具有两个特征：,1、产品本身不会引起环境污染或健康问题，包括不会对野,生生物、有益的昆虫和植物造成损害；,2、产品被使用后，在环境中可以降解为无害的物质。,保护大气臭氧层的氟氯烃代用品也已开始使用，如1,1,1,2-四氟乙烷。,绿色化学产品成功例证：,可降解塑料已在使用,绿色农药也开始使用,绿色涂料开始使用,绿色化学是当今国际化学科学研究的前沿，它吸收了当代化学、物理、生物、材料、信息等学科的最新理论和技术，是具有明确的社会需求和科学目标的新兴交叉学科。从科学观点看，绿色化学是化学科学内容的更新；从环境观点看，它是从源头上消除污染；从经济观点看，它合理利用资源和能源、降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。绿色化学已成为二十一世纪化学研究的重要方向之一。,2.3.4.11 合理使用能源,有机合成中使用电能,光能,微波,声波,2.3.4.12 绿色有机合成概念,用简单的、安全的、环境友好的、资源有效的步骤、通过合理的化学反应将廉价、易得的起始原料转化为结构较复杂的目标分子的过程。,三、有机合成官能团的转换,有机分子是由碳骨架及官能团构成，因此有机合成上的反应可分为构成碳骨架的反应（特别是碳-碳键形成的反应）和官能团形成的反应（官能团导入、修饰/转换和去除）,按成键的方式划分,碳的骨架按成键的本质划分,3.1 亲核试剂,亲核试剂是富电子的中性分子或带负电荷的离子,A 杂原子亲核中心（氧、硫、氮、膦、卤亲核试剂）,B 带负电荷的亲核试剂的亲核性比其共轭酸强；亲核性的增强一般与亲核性的碱性增强的趋势一致。,C 碱性与亲核性不一致的情况,元素周期表中从上到下亲核性增强、碱性减弱，如 Et2S与Et2O,膦与胺，I,-,与Cl,-,亲核性随 位阻的增大而减弱，而碱性增强。,在非质子溶剂中，亲核试剂的亲核性比碱性增加显著,D 碳亲核试剂（C-C键）,3.2 亲电试剂,缺电子的中性分子及带正电荷的离子,根据成键特点分为,Lewis酸:（BF3,Me3C,+,）,-键亲电体:（R-LG),-键亲电试剂:（C=O|、C=N、CN、C=S),碳-碳双键或碳碳三键与吸电子基相连也是亲电的0,-键亲电试剂（离去基团）,卤离子的亲核性及离去能力,优良的离去基团,N2,CF3SO3、I,-,、Br,-,、TsO,-,、Cl,-,、EtOH、H2O,OH及OR的离去及解决办法（质子化、ROR2,+,、磺酸酯）,四 逆合成分析的基本概念,是通过键的切断（dis)、官能团转换(FGI)、官能团添加(FGA)和键的重接(Reconnection)等操作将比较复杂的目标分子（TM)推导出比较简单易得的起始原料的过程。,4.1 切断法,醇、酮、羧酸、,-氰醇、-羟基酮该如何切断？,常见的基团该如何引入？,目标物的分析过程及合成过程,合成路线：,还有其它的方法吗？,A 只要采用合理可靠的办法均可以,B 在实验室研究、机理研究、工业生产中可能采用不同的合成路线,欧洲榆小蠹信息素 分析过程：,合成过程：,4.1.1 路线设计是合成的关键,4.1.2 逆合成分析法中可有多种不同的思路,4.1.3 使用逆合成应注意的几点,A 优先考虑分子骨架的形成B 拆时要考虑到合C 尝试从不同部位将分子拆开D 回推到适当阶段将分子拆开,4.2 合成子,2.2.1 合成子(synthons)的概念,2.2.2 合成子的分类,离子型合成子、游历基型合成子及协同型合成子三类。,2.2.3 试剂与合成子的关系,合成子是试剂的活性存在形式。例如:,合成子 CH,3,-,试剂 CH,3,Li;,合成子 CH,3,+,试剂 CH,3,I,某一试剂的负极性碳原子(供电子体doner,简称d)与另一试剂的正极性碳原子(电子接受体acceptor,简称a)结合,生成一个新的碳-碳共价键。,在合成中,形式上作为碳负离子和碳正离子使用的活性形式分别称为供电子合成子和电子接受体合成子,他们来自各种带有官能团的试剂。,(下式X=杂原子,FG=官能团),如果官能团本身的碳原子C-1具有活性,则该试剂为d,1,或a,1,试剂;,如果,-,碳原子(C-2)是反应中心,该试剂为d,2,或a,2,试剂;如果,-,碳原子(C-3)是反应中心,则成为d,3,或a,3,试剂;,没有官能团的烷基合成子成为烷基化合成子(Rd、Ra);,官能团中电负性的杂原子与电子接受体形成共价键,成为d,0,合成子。,d试剂具有亲核性,a试剂具有亲电性。,d合成子 试剂 a合成子 试剂,山楂花香精的逆合成分析,苯佐卡因的分析及合成,4.2.4 极性转换(umpolung),4.2.4.1 键的极性,A 成键的两个原子均享成键的一对电子(如C-C,C-H),这类化合物表现出低极性,低反应性.,B 大多数有机化合物含有官能团,成键原子的电负性和原子半径的差异,C-杂原子(C-X)是极化的:,当X=O.N,Br,Cl,I;C原子带部分正电荷;,X=S,P,Si及金属时;C原子带部分负电荷;,C 对,-键电子分布的影响叫诱导效应.,4.2.4.2 键的极化的传递,极化可以通过,-键传递到共轭体系的另一端,共轭分子出现正负交替的极化态.,反应的活性部位,4.2.4.3 极性转换(umpolung)的例子,供电子体转变为电子接受体或电子接受体转变为供电子体的过程。例如:,环氧化合物和,-卤代羰基化合物,羧酸的卤代,负羰基离子,4.3 小节,4.3.1 小节一 设计一个物质合成的例行程序,A 分析,认出目标分子的官能团,用相当于已知和可靠的反应进行切断,重复切断至易于取得的起始原料,B 合成,在综合考虑选择性的情况下，根据分析过程写出合成路线，加进试剂和条件，,根据实验中遇到的失败和成功，修改计划,4.3.2 小节二 设计一个合成具备的知识,对有机反应机理的了解,运用各种可靠反应的知识,对易得起始原料的鉴别,立体化学的了解,对化学、区域、立体选择性等知识的运用,4.3.3 小结三：合成中用到的术语,目标分子:TM,逆合成分析:将TM通过FGI、FGA、FGR、切断等手段至原料,FGI:通过取代、加成、消除、氧化、还原将一个官能团转化为另一个官能团,切断：想象中的一个键切断,合成子：活性形式,试剂：合成子的存在形式,4.3.4 试分析,-甜橙醛的合成方法,