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专题总结:有机物合成线路设计

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专题总结:有机物合成线路设计. 小组成员:李玉和 姚艺腾 古志福. 有机合成设计. 1. 合成设计方法. 2. 碳胳的切断与合成. 3. 单官能团化合物的逆向合成分析. 4. 双官能团化合物的逆向合成分析. 5. 碳环化合物的合成. 6. 立体构型的要求. 7. 合成路线的选择. 8. 绿色有机化学. 逆向合成分析原理.

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专题总结:有机物合成线路设计

小组成员:李玉和 姚艺腾 古志福

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有机合成设计
  • 1.合成设计方法
  • 2.碳胳的切断与合成
  • 3.单官能团化合物的逆向合成分析
  • 4.双官能团化合物的逆向合成分析
  • 5.碳环化合物的合成
  • 6.立体构型的要求
  • 7.合成路线的选择
  • 8.绿色有机化学
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逆向合成分析原理

在科研中,若从天然产物中得到一个很有用的化合物,我们采取的一般步骤是纯化,确定其结构,若为一新化合物,我们就用人工已知、可靠的合成方法把它合成出来,以验证其结构。所以,有机合成路线设计是有机化学工作者必备的手段。合成路线的好坏,也反映出一个化学工作者的知识水平与能力。

有机化学合成路线设计方法通常是倒推法,也叫逆合成分析,包含逆向切断,逆向连接,逆向重排,逆向官能团变换

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a.确认目标分子中的官能团。

1.分析

b.用已知和可靠的反应进行切断,逆向连接,逆向重排,逆向官能团变换

c.必要时重复进行切断,直至达到易于取得的起始原料。

a.根据分析,写出合成计划,加进试剂和条件;

2.合成

b.根据实验中遇到的失败和成功,修改计划;

合成设计的一般程序为:

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逆向切断:就是用切断适当化学键的方法将目标分子拆成简单分子

逆向连接:/将目标分子中两个适当的碳原子用新的化学件连接起来 ,这种反应是氧化断链的逆过程

逆向合成分析

逆向重排:将目标分子的碳架拆开进行合理的重新组装,这种变换是重排反应的逆过程

逆向官能团变换:只变更官能团种类或位置而不改变碳链

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碳胳的切断与合成

基本要求:1.分子碎片要有合适的试剂代替,并容易得到。

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碳负离子对羰基的加成

格氏试剂和有机锂对醛,酮的加成,是形成C-C键的常用方法,包括羟醛缩合和酯缩合,其中有克来森-施密特反应,柯诺瓦诺反应,和伯琴反应,以及在固定位置可引如双键的维蒂西反应

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碳链的缩短

可以利用甲基酮的卤仿反应,酰胺的霍夫曼降级反应,和脱羧反应以及不饱和键的断裂得到碳原子数较少的化合物。

卤仿反应

CH3-CH(R)O+3NaOX--->CX3-C(R)HO+3NaOH

CONH₂ + NaOX + 2NaOH——→R-NH₂ +Na2CO₃+ NaX + H2O

霍夫曼降级反应

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单官能团化合物的合成

1.ROH的合成路线

2.R-Cl的形成

3.Ar—OH的合成

4.C—O—C的合成

5.醛、酮的合成

6.R-COOH的合成

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例 试设计 的合成路线

P

h

P

h

C

O

O

C

H

2

5

+

P

h

M

g

C

l

2

O

H

ROH的合成路线

分析

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Ar—OH的合成

异丙苯氧化法;

氯苯水解法;

磺化碱熔法;

重氮盐水解法。

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醛、酮的合成
  • 积二卤代烃水解
  • 烃的氧化
  • 醇的脱H或氧化
  • 羧酸的还原
  • 芳烃的酰基化
  • 乙酰乙酸乙酯合成酮类
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R-COOH的合成
  • 腈的水解
  • 格氏试剂与CO2作用,水解
  • 醛、醇、取代芳烃烯烃的氧化水解
  • 羧酸衍生物的水解
  • 甲基酮的氧化(卤仿反应,少一个碳)
  • 丙二酸二乙酯、乙酰乙酸乙酯合成羧酸
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双官能团化合物合成

1,3-二官能团化合物和α,β-不饱和羧基化合物。

1,5-二羧基化合物

1,2-二官能团化合物

1,4-二官能团化合物

1,6-二官能团化合物

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碳环化合物的合成
  • 小环化合物
  • 五、六元环
  • 稠环芳烃
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小环化合物

1.分子内的烷基化

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五、六元环

⑴ 付-克酰基化

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(3).狄克曼反应

(分子内酯缩合)主要用来合成五元环和六元环。

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立体构型的要求

1.获得顺式或反式产物

2.环的骈联

3.不对称合成

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2.环的骈联

由于α位有羰基,在碱催化下可以发生酮与烯醇式互变,并且并联的环反式比顺式稳定,可以利用这点,得到反应产物。

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3.不对称合成

对于有机合成,除了在反应条件上要求尽量温和外,在选择性上也要求有化学选择性,区域选择性,立体选择性及对应选择性。特别是对映选择性,是人们努力奋斗的热点。可以说对映选择性的有机合成是对有机化学家创造能力的最好检验。实现对映选择性的合成,也就是手性合成,不对称合成问题。

不对称合成是指在一个反应中使非手性的分子转变为手性分子,在产生的手性分子中,对映异构体的含量是不等量的。

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一般来说,实现不对称合成的途径有五个:

⑴手性底物的诱导

⑵手性辅助的诱导

⑶手性试剂的控制

⑷手性催化剂的控制

⑸手性环境的影响,包括溶剂,相转移催化剂等

以上各种途径都是利用底物或辅助物的手性,试剂或催化剂的手性。与反应物结合时,形成非对映异构的过渡态。于是对不同面的进攻产生差异,从而产生了反应的对映选择性。

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例2.钛催化的不对称环氧化反应

这时Baker公司用以制备千毒蛾性引发剂的方法。1980年这种性引发剂每克售价高达一千英镑。而采用不对称合成法后,价格降至每克一百英镑。千毒蛾性引发剂(dispalure)的结构式为:

林国强等从C11端开始利用sharpless不对称环氧化,同时进行了动力学拆分,而后直接利用铜锂试剂进行开环:

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这个方法使用于烯丙醇衍生物,用的试剂是叔丁基过氧化氢,四异丙氧基钛和酒石酸酯。这里的酒石酸酯是手性的来源。用天然的L-(+)酒石酸酯和非天然的D-(-)酒石酸酯所得的环氧化物的构型是相反的。该法所用的试剂都是简单易得的,反应产率一般在80%左右,所得的e.e.值往往大于90%。这个方法可以同时引入两个手性中心。加上环氧环在开环以后可能有多种变化,因而,引起人们很大的重视,并在很多天然产物的合成中得到应用。

这种方法只限于烯丙醇类的衍生物,对于一些没有相邻的羟甲基的烯烃化合物,e.e.值是不高的。

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合成路线的选择

要求: (1)原料易得;

(2)产率高,副反应少,易纯化;

(3)步骤少;

(4)操作方便、安全。

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绿色有机合成

1.原子经济性

2.环境友好溶剂

3.环境友好的催化反应

4.利用可再生资源

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1.原子经济性

原子经济性的概念是1991年美国著名有机化学家Trost提出的,他以原子利用率衡量反应的原子经济 性:  原子利用率= (预期产物的分子量/反应物质的原子量总和)×100%原子利用率越高,反应产生的废弃物越少,对环境造成的污染也越少。在一般的有机合成反应中:A+ B = C +D主产物  副产物反应产生的副产物D往往是废物,因此可成为环境的污染源。

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    绿色有机合成应该是原子经济性的,即原料的原子100%转化成产物,不产生废弃物。如Diels-Alder反应就是一个原子经济性的反应:

原子利用率=[ 82/(28+54)]×100%=100%

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2.环境友好溶剂

有机溶剂由于挥发性大、毒性大而成为有机合成工业的主要污染源,环境友好的有机合成应该尽量不用或少用有机溶剂。

例如超临界CO2作溶剂

超临界流体是指处于超临界温度及压力下的流体,它介于气态和液态之间,密度接近于液体而粘度与扩散系数接近于气体,因而在萃取、分离、重结晶及合成反应中表现出特有的优越性。超临界CO2尤以临界温度及压力适中、无腐蚀、不燃烧、廉价无毒而得到广泛应用。

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非对称烯烃加氢时得到一对旋光对映异构体,而合成的目标只是其中一个。临床上,旋光性药物往往一种对映体有效,另一种无效甚至有毒。所以,合成出消旋的药物不但原子利用率低,而且由于对映体的物理、化学性质非常接近,其分离、提纯非常困难。由此,旋光选择性在制药工业中显得特别重要。Burk小组以超临界CO2 作溶剂,提高不对称氢化的选择性。
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3.环境友好的催化反应

在有机合成中应用有效的催化剂是实现环境友好的重要方面。

钛硅分子筛催化剂以及化学修饰的无机介孔材料,由于具有良好的热稳定性而成为新研究热点。

如环氧丙烷的生产,传统工艺为:

反应不仅以有毒的氯气为原料,而且还伴生大量的氯化钙废水。

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以钛硅分子筛为催化剂,丙烯与H2O2可经一步反应生成环氧丙烷:

由于生成的副产物是水,因此不会污染环境。

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4.利用可再生资源

今天,95%以上的有机化学品来自石油,但是,地球上的煤和石油是有限的和不可再生的。因此,如何利用生物质为原料生产人类需要的化学品就成为绿色有机合成的战略任务。    很久以前,人类就懂得用淀粉发酵制酒,这是最古老的以生物质为原料的合成。地球上最多的生物质是木质纤维素,如农作物的稻杆、麦杆、高粱杆、玉米杆等,单中国每年就有15亿吨,其中除少量用于造纸外,大部分都烧掉,既污染环境又造成浪费。如果能把它们转化成化学品,可制取2~3亿吨乙醇、8000万吨糠醛和3亿吨木质素,创造数百亿元的价值,既保护环境又造福社会。1999年,美国的Biofine公司获得美国总统绿色化学挑战奖之小企业奖。他们的获奖项目是把废纤维转化成乙酰丙酸。    反应的原料可以是造纸废物、城市固体垃圾、不可循环使用的废纸、废木材和农业残留物,用稀硫酸在200~220℃处理15分钟,产率可达70%~90%,同时可得有价值的副产品甲酸和糠醛。

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