有机合成化学及实验

目录

第二版前言

**版前言

绪论 1

0.1 有机合成化学的产生和发展 2

0.2 有机合成化学展望 6

第1章 碳负离子反应 8

1.1 基本原理 8

1.2 羰基α-碳负离子的反应 12

1.3 Wittig反应 30

1.4 有机金属试剂 33

习题 48

第2章 酸催化缩合反应 49

2.1 烯烃的缩合反应 51

2.2 Friedel-Crafts反应 52

2.3 α，β-不饱和醛酮的合成 59

2.4 胺甲基化反应(Mannich反应) 62

习题 65

第3章 过渡金属催化反应 66

3.1 过渡金属催化基础 66

3.2 过渡金属催化交叉偶联反应 74

3.3 烯烃复分解反应 94

习题 96

第4章 有机化合物的极性转换 98

4.1 基本概念 98

4.2 羰基化合物的极性转换 102

4.3 胺类化合物的极性转换 107

4.4 芳香族化合物的极性转换 111

习题 112

第5章　重排反应 113

5.1 缺电子重排 113

5.2 富电子重排 125

5.3 芳环上的重排 129

5.4 炔烃的异构化和烯丙醇(醚)重排 133

习题 134

第6章 氧化反应 136

6.1 烯烃的氧化 136

6.2 芳烃的氧化 149

6.3 醇的氧化 152

6.4 醛酮的氧化 161

6.5 光敏氧化反应 165

习题 167

第7章 还原反应 168

7.1 催化氢化反应 168

7.2 溶解金属还原 180

7.3 氢负离子转移还原 186

7.4 其他还原法 191

习题 193

第8章 有机合成 194

8.1 有机合成基础 195

8.2 有机合成路线设计 202

8.3 分子的切断与合成路线设计 217

8.4 合成路线设计中的其他技巧问题 238

8.5 计算机在合成中的应用简介 253

习题 256

第9章 绿色有机合成 257

9.1 绿色有机合成评价标准 257

9.2 一些绿色有机合成反应 274

习题 276

第10章 有机合成实验 277

实验1 食品抗氧化剂TBHQ的合成 277

实验2 苯氧乙酸的合成 279

实验3 甲基叔丁基醚的合成 280

实验4 乙酸3-甲基丁基酯的合成 281

实验5 己酸烯丙基酯的合成 282

实验6 葡萄糖五乙酸酯的合成 283

实验7 乙酰乙酸乙酯乙二醇缩酮的合成 285

实验8 1，3∶4，6-二氧苯亚甲基-D-甘露醇的合成 286

实验9 3-苯基-1-(4-甲基苯基)丙烯酮的合成 287

实验10 铬酸氧化薄荷醇制备薄荷酮 288

实验11 用PCC氧化庚醇合成庚醛 290

实验12 活性二氧化锰氧化制备肉桂醛 291

实验13 硼氢化钠还原二苯甲酮 292

实验14 四氢铝锂对二苯乙酸的还原 293

实验15 Wilkinson催化剂合成及其在香芹酮选择性均相还原中的应用 295

实验16 2，3-二苯基丁-2，3-二醇的制备及其片呐醇重排 296

实验17 微波作用下苯片呐醇的重排反应 298

实验18 贝克曼(Beckmann)重排反应 299

实验19 由(+)-柠檬烯制备(-)-香芹酮 300

实验20 黄酮的合成 302

实验21 洛粉碱的制备及其二聚化 303

实验22 四苯基卟啉-锌配合物的无溶剂制备和性质测试 305

主要参考书目 307

符号缩略表 308

绪论

世界由物质构成，物质间通过物理或化学相互作用构建了丰富多彩的地理风貌和自然世界。同时，化学过程存在于人类生活与工作的方方面面，特别是随着石油化工的快速发展，有机合成领域的繁荣更是带动了医药、农业、信息技术等的进步，极大地改善和丰富了人类的生活。有机合成化学（organic synthesis chemistry）是有机化学的一个重要分支，也是一个十分活跃并极富创造性的领域。在有机化学近两个世纪的漫长发展历史中，有机化学家不断开拓进取，挑战了一系列已知或未知结构的有机分子的合成，开发并深入探索多种有机化学反应和试剂，总结了大量的实验结果，提出且不断修正了重要的有机合成基础理论，拓展了有机合成化学的应用范围。时至今日，有机合成不再仅局限于复杂化合物的合成和新型有机化学反应的研发，而是融合有机方法理论、分子设计、合成路线设计和有机实验技术，被拓展应用到染料、化妆品、药物、农业用品、数码材料等领域中，因此有机合成化学也常被称为有机分子工程。

有机合成化学是研究有机化合物的合成及制备的理论和方法的科学。快速发展的分离技术成功实现了从自然资源中提取分离多种重要天然有机化合物，在医药、香料、添加剂、化妆品等多个领域中发挥着重要的作用；然而，天然有机化合物在自然界中通常含量较低，提取效率一般不高，提纯产品价格昂贵。例如，从1.2t的红豆杉树皮中只能提取出10g纯的抗癌明星药物紫杉醇（taxol）。尽管这个药物是自然界给人类健康的馈赠，但从红豆杉树皮中分离纯化紫杉醇的方法并不能满足癌症患者治疗的需求，同时还会引起严重的环境问题以及由此带来的红豆杉类树木因砍伐而灭绝的生态问题。又例如，熊胆一度被中医认为具有降火、清肝、明目的作用。1900年左右瑞典生物化学家哈马斯登从熊胆汁中分离出的熊去氧胆酸则在20世纪70年代以来被发现对胆结石、肝脏疾病的治疗有较好的效果，被用于治疗原发性胆汁性肝硬化症。但从活熊体内抽取胆汁极其残忍，胆汁中常有细菌、毒素、脓血等有害成分，这样获得的熊去氧胆酸造价高，且存在一定的污染风险。再比如，可用以治疗风湿性关节炎的肾上腺糖皮质激素可的松*早是从牛的肾上腺皮质中提取的，1t牛肾上腺仅能生产出25g可的松，同样成本高昂。因此，如何人工生产这些从自然界中获取的神奇分子就成为医药公司和有机合成工作者的新课题。也确实是有机合成工作的介入，极大地降低了这些药物的生产成本，并更普遍地满足了医药领域的需求，改善了患者的生存状态。

有机合成化学家的合成工作*初是在分离、测定了天然产物的化学结构后开展的，他们需要结合大量的有机化学反应和合成经验，设计合成方案，选择合适的合成原料，采用人工的方法合成这些结构，并*后通过结构验证以及理化性质的比对以确定前期目标结构表征的正确性，再经增大合成的量级实现扩大生产、评估产率和成本等*终确定能否满足人们更多的需要。除此以外，人们还可以通过研究药物的构效关系对天然产物的结构进行修饰，从而得到一系列的衍生物，为高效低毒副作用的新药研发提供可能。

有机合成化学是以各种类型的反应为基础，再经反应的组合以获得目标化合物的合成设计及策略。利用有机合成可发展和探索有机合成化学的原理和方法；实现应用基本的原料和试剂制造天然化合物，确定天然产物的结构、性质和用途，辅助生物学的研究，揭开自然界的奥妙；制造非天然的、具有特殊性能的、有意义的新化合物；改进已有合成路线，提高合成效率。因此，有机合成是一个极富有创造性的领域，是以有机化学为基础的。

有机合成化学包括基本有机合成和精细有机合成。基本有机合成化学指以丰富的天然资源，如煤、石油、动植物等为原料，加工成有机产品，其特点是产量大、质量要求低、加工相对粗糙、工艺简单。精细有机合成化学指以基本有机合成品为原料，合成结构复杂、质量要求很高的化合物，其合成过程操作条件要求严格、步骤繁多、产量较少，主要应用于合成农药、医药、染料、香料、材料等。以上两类合成都是国计民生中不可缺少的部分。

0.1有机合成化学的产生和发展

众所周知，有机化学特别是有机合成化学是一门发展得比较完备的学科。在人类文明史上，为提高人类的生活质量做出了巨大的贡献。有机合成化学的发展主要经历了四个时期。

0.1.1初始期（19世纪～20世纪前半叶）

有机化学发展初期，大多有机合成方法和反应是偶然发现的。1828年德国化学家Friedrich Wohler用氰酸银在加热条件下制备氰酸铵时意外地收获了尿素，这是人类*次通过无机化合物制备从生命体系中分离得到的有机化合物，它否定了“生命力”学说，打开了人工合成有机物的大门，并为化合物异构理论的建立和发展奠定了基础。自此，人类步入了有机化学的殿堂，逐渐解锁了各类有机化合物人工制备的技能，发现并尝试理解取代、消去、加成、缩合、偶联等反应，以及利用这些反应实现官能团间的转化和从简单分子出发制备更大、更复杂的分子。

1833年Braconnot和1838年Pelouze分别对淀粉和纸张施行硝化操作，成功制备了硝基纤维素的粗品。

1856年，Hoffmann的助手、18岁的青年学生Perkin在英国伦敦皇家化学学院试图按照无机反应的方法，用铬酸盐氧化从煤焦油中提取的烯丙基对甲苯胺（C10H13N），使其二聚合成抗疟疾药物奎宁（C20H24N2O2），然而，意外地得到了红棕色物质。经进一步调整反应配方，得到了色泽能与天然染料茜红和靛蓝媲美的染料苯胺紫。

苯胺紫的成功制备开创了人工染料领域的先河，是以煤焦油为原料制备染料工业的良好开端，也为Perkin带来了巨额财富。随着有机理论和结构鉴定技术的发展，人们已经知道烯丙基对甲苯胺与奎宁结构之间存在巨大差别，而从前者向后者的转化存在着明显的结构壁垒，

因此当年Perkin的实验目的当然无法达成。但是，科学发现和工业发展常具有一定的偶然性，正是因为Perkin的大胆假设、积极尝试、正面应对意外结果、创新性探索与实践应用、进一步的探索和敢于创业，才有了苯胺紫的问世和商业化，也才有了19世纪中后叶苯胺类染料领域的蓬勃发展。

此外，1856年，Williams以氢氧化钾作用于不纯的N-乙酰喹啉盐，合成了**个照相底片的增感剂菁染料。1863年，Hoffmann抱着在德国制备人工染料的宏愿，在柏林大学建立了规模较大的有机化学实验室，并充分利用了英国已有的成就，进行了染料、香料、医药的合成研究。这些研究成果的应用给德国带来了巨大的利益。1871年，德国煤化学工业技术居世界*位。到1873年，德国染料工业的产量、质量都超过了盛极一时的英国。合成染料工业带动了纺织工业（合成纤维）、制药工业（阿司匹林）、油漆工业和合成橡胶工业的发展，形成了几十亿马克的煤化学工业。德国赫希斯特和拜耳公司的产品源源不断流向世界各国。许多天然产品被人工化学合成产品替代，人类进入“化学合成时代”。原来的废弃物煤焦油成为种种高价值产品的原料。德国人依靠自己的努力，终于迎头赶上并超过了英国。这一历史令人鼓舞和发人深省，值得中国人好好学习，我们也应通过自己的努力为国家的发展、经济的繁荣做出贡献。

到了20世纪上半叶，由于现代有机结构理论的初步确立和大批有机反应的发现，通过有机化学反应的规律来进行有机合成的研究逐步展开。大部分有机人名反应便是在这个时期出现的，有机合成工作开始了缓慢的进步。这个时期*有名的是对血红素、颠茄酮、马萘雌酮等的人工合成。前两种化合物的合成者、诺贝尔化学奖的获得者Robert Robinson在有机合成领域做出了卓越的贡献。

0.1.2艺术期（20世纪40～60年