合成路线的选择

1本章内容2.1概述2.2合成子与逆向合成法2.3分子设计和分子工程2.4组合化学合成2教学要求掌握合成子的概念；掌握逆向合成分析法；掌握合成路线设计方法。了解合成路线设计的意义、分子设计与分子工程的概念以及组合化学的概念。32.1.1、合成路线设计的意义合成路线设计主要是指从理论上讨论分析如何设计合成路线以及合成的策略技巧。合成路线设计——根据目标分子的结构特点，选择适当的原料，适当的反应组合成的较为合理的合成路线。合成路线是合成工作者为待合成的目标化合物所拟定的合成方案。2.1概述420世纪70年代后期，合成化学家们开始总结合成的规律和合成设计等问题。较早提出合成路线设计问题的是美国哈佛大学的科里（Corey）教授（获1990年诺贝尔化学奖），他在1964年提出“合成子法”（synthonapproach），得到化学界的广泛重视。国内外关于合成战略的讨论虽然只有40多年的历史，但发展很快，并取得了很大成绩，如今已发展到利用计算机辅助设计合成路线。对于无机化合物和材料的合成来说，现代合成设计的重点是分子设计和分子工程的应用。52.1.2、合成路线设计的基本方法（1）原料决定在药物、农药等的研究工作中，往往需要制备一系列的同系物或合成一系列类似物（只改变分子结构中的某一部分），以便从中筛选出效果最佳的化合物并保留药物的有效基本结构。起始原料反应目标分子6（2）反应决定有些情况下，在实验室的基础研究工作中会发现一些预料之外的化学反应，或反应产物。这些产物的结构很特殊而又与某种天然有机物的结构相似，因此往往以这个产生特定结构的反应出发，找寻具有相似结构特点的有意义的目标分子，然后再确定适当的起始原料，从而确定整个合成路线。反应目标分子起始原料7（3）目标分子决定这是经常采用并已发展成为有一定规律可循的逻辑推理的思维方法。Thelogicofchemicalsynthesis1972年,EJ.Corey,创建了一种独特的有机合成理论—逆合成分析理论82.1.3、合成路线的评价①合理的反应机理即从单元反应来分析应该是可行的，其组合能够达到合成所需化合物的目的。②合成效率高即力求减少副反应以提高产品的收率。③合成路线简捷反应步骤的长短直接关系到合成路线的经济性。一个每步产率为90%的十步合成，全过程的总产率仅为35%；而五步合成，则总产率可提高为59%，若合成步骤仅三步时，其总收率就升高为73%。因而就尽可能采用短的合成路线。④原料、试剂等来源丰富，毒性小，能耗低。⑤温和的反应条件，操作简便安全。⑥尽可能符合绿色合成的原则。92.2合成子与逆向合成法碳链的构筑和碳环的形成是有机化合物合成过程中最基本的任务。10构筑骨架的方法：一是利用碳负离子或带有较高负电荷密度的碳中心试剂（亲核试剂，电子给予体，donor）与碳正离子或带有正电荷密度的碳中心试剂（亲电试剂，电子接受体，acceptor）的结合。+-11二是利用碳中心自由基的偶合反应。12三是利用周环反应来形成碳环。132.2.1合成子的概念合成子是分子内在的、与合成操作有关的结构单元。合成子是目标分子切断后产生的假想的分子碎片，可以是正离子、负离子或自由基，也可以是相应的反应中的一个中间体。14合成乙烷自由基合成子，简称r-合成子。给电子的合成单元，被称作给电子合成子，简称d-合成子。CH3——CH33CH3CH3CH接受电子的合成单元，被称作受电子合成子，简称a-合成子。具有合成子功能的试剂被称为该合成子的合成等价体。152.2.2常见的a-合成子和d-合成子根据合成子内反应中心碳原子与相应官能团（FG）间的位置不同，a-合成子又可以细分为a0—an合成子，d-合成子分为d0—dn合成子。其中n值表示反应中心碳原子与相应官能团间的相对位置。a3：+C3-C2-C1-FGd3：-C3-C2-C1-FG162.2.2.1d-合成子常见的d-合成子主要do、d1、d2和d3几种类型。烷基负离子烯基负离子芳基负离子RH-但由于烷烃的酸性一般都非常弱由相应的卤代烃与金属间反应来制备的。17末端炔烃的酸性较强(pKa≈22)，其负离子可以由炔烃与强碱，如NaNH2、RLi和RMgX等直接反应得到。一些连有强拉电子取代基的甲基或亚甲基化合物，因-H具有较强的酸性，在强碱作用下易失去一个质子形成稳定的d1合成子。RCCHRCCMgCl+C2H5MgClC2H6+CH3SOCH3、CH3SO2CH3、HCN、R3SiCH2CI、Ph3P+-CH2RX-。-CNO2HHH18一些连有醛基、酮基、酯基和氰基的甲基或亚甲基化合物，因C—H具有相当强的酸性，在强碱作用下易失去一个质子形成稳定的d2-合成子。CCOHHRHRCH2CHO、RCH2COPh、RCH2CO2Et、CH2(CO2Et)、CH3COCH2CO2Et和CH2(CN)2-19不对称酮分子在碱作用下，可以形成两种不同结构的碳负离子:因此，反应过程中会出现区域选择性的问题。在低温下与强碱作用后，易产生烷基取代少的碳负离子；在较高温度下与碱性较弱的碱作用后，易产生烷基取代多、热力学稳定性高的碳负离子。202-庚酮在碱作用下的三甲基硅基化反应：甲基的酸性较强而立体位阻小，易被强碱LDA攫取，形成烷基取代少的碳负离子，此过程属于动力学控制。然而，烷基取代少的碳负离子的热力学稳定性较低，一旦它与烷基取代多、热力学稳定性高的碳负离子间形成动态平衡，那么反应将有利于生成烷基取代多的碳负离子相应的产物，此过程属于热力学控制。21具有活性-H的醛酮与伯胺反应后形成的亚胺与LDA在醚类溶剂中发生去质子反应后，形成的亚胺负离子也属于d2-合成子，22与肼作用后生成的腙经去质子后，也是一类很有利用价值的d2-合成子，它与亲电试剂反应常表现出很好的区域选择性和立体选择性。具有活性-H的醛酮与仲胺反应后形成的烯胺是一类有用的电中性的d2-合成子，它可以与卤代烃、,β-不饱和羰基化合物及丙烯腈等亲电试剂发生反应。常用的仲胺主要有四氢吡咯、六氢吡啶和吗啡啉。23具有活性-H的羧酸与氨基醇反应后可以得到2-噁唑啉。后者与LDA在THF中反应后得到的碳负离子是一种很有用的d2-合成子。利用该合成子可以合成-取代羧酸和-取代醛。24连有乙烯基和疏基的亚甲基化合物具有足够强的酸性与丁基锂等强碱发生质子交换反应，形成具有一定利用价值的d3-合成子。25某些环丙烷衍生物也已经发展成为d3-合成试剂，262.2.2.2a-合成子受电子烷基合成子R+可以看做是由R—X发生C—X键异裂后产生的。最常用的合成等价体:卤代烷、硫酸甲酯、碳酸二甲酯、磺酸酯、磷酸三甲酯、Meerwein试剂（Me3OBF4）羰基正离子是具有代表性的a1-合成子。合成等价体：酰氯、羧酸酐、羧酸酰胺和黄原酸酯以及O-三烷基硅基硫代半缩醛。27常见的a2-合成子主要有：CCOMXRH-羰基正离子-羟基正离子-卤代羰基化合物环氧乙烷及其衍生物,β-不饱和硝基化合物也是a2-合成子的合成等价体。CNO2CHRH28常见的a3-合成子主要有β-羰基正离子相应的合成等价体是,β-不饱和羰基化合物、,β-不饱和羧基化合物和,β-不饱和腈。CCOMHCHHR29烯丙基型正离子和炔丙基正离子也可以视为a3-合成子它们相应的合成等价体主要为3-卤代丙烯、3-卤代丙炔、3-丙烯醇的磺酸酯和3-丙炔醇的磺酸酯。CHCH2H2CCCH2HCCHCH2H2CXCCH2HCOSO330结构特殊的环丙基甲基化合物可以充当a4-合成子的合成等价体:312.2.3极性转换导致合成子类型改变的过程，称作极性转换。a-合成子的合成等价体d-合成子的合成等价体反应中心碳原子的迁移322.2.3.1杂原子的交换通过交换合成试剂分子内的杂原子，可以使一些常见的a-合成子转换成d-合成子。M=Li,MgCl,Cu+-a-合成子d-合成子33酰氯是提供酰基正离子的有效合成试剂（a1），它与四羰基铁酸钠作用后可以转变成酰基负离子的合成试剂（d1）。RCOClRCO-FeCO4PPh3叶立德试剂+-342.2.3.2杂原子的引入普通的烯烃由于分子内存在π-电子，通常属于给电子试剂。若将烯烃氧化成环氧乙烷化合物，即引入一个氧原子后，那么原来双键上的碳原子的反应性就被逆转。+-a-合成子d-合成子35烯醇负离子与卤素（通常为氯或溴）反应，即在分子内引入一个卤素原子后，其-碳原子的反应性由亲核性变成了亲电性。-+362.2.2.3碳片段的引入尽管在合成试剂分子内引入某些碳片段后可以使反应中心发生极性逆转或迁移，但这方面的应用实例较少。芳香醛（a1）与氰氢酸加成，使醛基碳原子的极性发生逆转。+-37醛（a1）与乙炔负离子加成得到的2-炔醇经氧化成2-炔酮后，末端炔氢原子易被强碱攫取形成炔碳负离子（d3），从而使反应中心的位置发生了迁移。+382.2.4简单化合物的逆向合成分析2.2.4.l逆向合成分析的基本知识从目标化合物的结构着手，把分子按一定的方式切成几个片断。基本原则是这些片断可以通过已知的或可以想到的化学反应进行重新连接。每一个片断必须有相对应的试剂，且该试剂应该比目标分子更易得到。在进行逆向分析时，结构上的每一步变化被称为转换，一般用双线箭头表示；而通常合成步骤的每一步被称为反应，一般用单线箭头表示。39逆向合成分析：目标分子CB起始原料合成路线：起始原料BC目标分子为了更加合理地对分子进行切断，人们还常常采用下述手段；①官能团的连接和重排（Con/Rearr）；②官能团的互换（FGI）；③官能团的添加（FGA）；④官能团的移去（FGR）。40通过这些手法的处理后，一般应该可以将目标分子转换成更容易得到的化合物。412.2.4.2简单化合物的逆向合成分析1、分析目标分子的结构特点；2、找出目标分子的某一处可以通过适当的反应形成一个或几个化学键；3、切断，产生较为简单的分子片段；4、对分子片段重复前面步骤，直到得到最简单的合成子。目标分子前体亚目标分子合成子42对开链单官团分子，通常可以考虑在官能团的-碳或β-碳的连接处进行切断。例如，叔醇化合物可以在其-碳上进行切断：43PhCOCH3+tBuMgClPhCOCH3MgCltBuPhCOHCH3tBu水解44目标分子CABHGFEDI4545切断的原则：1．应有合理的切断依据：正确的切断应以合理的反应机理为依据，切断后要有较好的反应将其连接。【例1】CH3CH3COCl+CH3CH3COabCOCH3CH3I+46【例2】很显然，b路线不可行，因为硝基苯很难发生付-克酰化反应。a路线是合理的路线。CH3OMeCONO2CH3OMeNO2COClCH3OMeCOClNO2abab++4747【例3】a路线切断一个碳原子后，留下的是一个不易得到的中间体，还需要进一步的切断。b路线将目标分子切断成易得的原料丙酮和环己基溴，所以b的合成路线较a短，符合最大简化原则，是较好的切断。2．应遵循最大程度简化的原则OHab483．应遵循原料易得的原则如果切断有几种可能时，应选择合成步骤少、产率高、原料易得的方案。【例4】自选原料合成正丁醇法一：CH3CH2CH2CH2OHCH3CH2CH2CH2Cl法二：CH3CH2CH2CH2OHCH3CH=CH2CHO法三：CH3CH2CH2CH2OHOCH3CH2MgBr+讨论你认为合适的方法49逆向切断的技巧应用逆向合成法设计合成路线，首先就要切断目标分子。对于目标分子，其结构设计主要包含三个方面，即：①碳架的建立；②官能团的转化；③立体化学的选择性和控制。501.优先考虑碳架的形成通常要尽可能选择靠近官能团的位置形成新的碳-碳键，以利于合成反应的进行。RXXRNaRR+碎片中就必须有卤素官能团存在。CH3CHO+CH3CHOOHCH3CHCH2CHOOH则碎片中就必须有羰基和活泼α-H，否则就不能联接碳架。51【例5】用丙烯合成丙酸CH3CH2COOHCH3CH2CH2O