有機化學概論

高等有機化學張運曉zhangyx@Tel.67767200AdvancedOrganicChemistry

參考書:1.F.A.Carey,R.J.Sundberg,

AdvancedOrganicChemistryPartA.StructureandMechanismPartB.ReactionandSynthesis

中譯本:高等有機化學,A卷:結構與機理;B卷:反應與合成夏熾中譯2.M.B.Smith,J.MarchAdvancedOrganicChemistryReactions,MechanismsandStructure

中譯本:高等有機化學,上:反應機理與結構;下:反應與合成

陶慎熹,趙景雯譯3.NeilIsaacs,PhysicalOrganicChemistrySecondEdition,世界圖書出版社,1997年4.T.H.Lowry,K.S.Richardson

MechanismandTheoryinOrganicChemistry高等有機化學--反應、機理與結構(高等有機化學——國際有機化學經(jīng)典之作，高等有機化學的首選教材)清華大學李艷梅譯出

版

社:

化學工業(yè)出版社出版時間：2010年高等有機化學--結構、反應與機理(楊定喬)出

版

社:

化學工業(yè)出版社出版時間:

2012年5.高振衡物理有機化學上,下冊,高等教育出版社6.王積濤高等有機化學人民教育出版社7.惲愧宏,高鴻賓,任責忠,高等有機化學高等教育出版社8.俞凌翀基礎理論有機化學高等教育出版社9.榮國斌高等有機化學基礎化學工業(yè)出版社.10.汪秋安，高等有機化學，化學工業(yè)出版社.高等有機化學

(AdvancedOrganicChemistry)

物理有機化學(PhysicalOrganicChemistry)

有機反應與合成（OrganicReactionandSynthesis）

理論有機化學(TheoreticalOrganicChemistry)

有機立體化學(OrganoStereochemistry)

它主要論述有機化合物的結構(Structure),

反應機理(ReactionMechanism)以及它們之間的相互關系(Relationship).第一章.概論

Introduction

有機化學是研究有機化合物的來源、制備、結構、性能、應用及有關理論和方法的科學

WhatisorganicChemistry?有機合成化學進展

迄今已知的近2000多萬個化合物中，絕大多數(shù)是有機化合物。近兩個世紀來，有機化學學科的發(fā)展，揭示了構成物質(zhì)世界的有機化合物分子中原子鍵合的本質(zhì)以及有機分子轉(zhuǎn)化的規(guī)律，并設計、合成了具有特定性能的有機分子；它又為相關學科（如材料科學、生命科學、環(huán)境科學）的發(fā)展提供了理論、技術和材料。

近年來，經(jīng)過我國有機化學工作者的共同努力，我國的有機化學研究無論在規(guī)模上還是深度上明顯的進步。與國際先進水平相比，我國有機化學的一些研究領域與先進國家的距離有所縮短。但是我們必須清醒的認識到，國際上科學發(fā)展和競爭非常激烈，學科融合和交叉也成為科學發(fā)展總的趨勢，新的學科生長點層出不窮，因此在某些領域，我們和國際上的差距有所加大。因此需要有機化學工作者時刻保持清醒的認識，進一步加快趕超世界先進水平的步伐！在當今世紀，有機化學面臨著新的發(fā)展機遇●一方面，隨著有機化學自身的發(fā)展及新的分析技術、物理方法及生物學方法的不斷涌現(xiàn)，人類在了解有機化合物的性能、反應及合成方面將有更新的認識和研究手段；●另一方面，材料科學和生命科學的發(fā)展，以及人類對于環(huán)境和能源新的要求，都給有機化學新的課題和挑戰(zhàn)。

有機化學將在物理有機化學、有機合成化學、天然產(chǎn)物化學、金屬有機化學、化學生物學、有機分析、計算化學、農(nóng)藥化學、藥物化學、有機材料化學等各個方面得到發(fā)展。

、物理有機化學

(PhysicalOrganicChemistry)

物理有機化學是用物理化學的方法研究有機化學的科學，是一門指導有機化學及其它學科發(fā)展的學科。它研究：

有機化合物的結構和性能；有機化學反應如何發(fā)生和為什么發(fā)生；從中找出規(guī)律，指導設計、合成新的物種，預見和發(fā)現(xiàn)新的有機現(xiàn)象。當前有機化學發(fā)展的前沿領域有以下6個與物理有機化學相關的問題：①生命過程中的化學問題②分子聚集體化學中的結構/活性關系和反應規(guī)律③新材料的分子設計、合成和構效關系④計算化學和理論化學⑤自由基化學⑥有機光化學本領域的研究內(nèi)容：有機化合物的結構與性能的關系現(xiàn)代光譜、波譜和顯微技術的發(fā)展為表征分子結構提供了基礎?；衔锝Y構決定著性能:

包括化學反應性能（立體效應、電子效應、溶劑效應等）;

物理性能（光、電、磁性能）;

生命功能2.反應機理和活性中間體

時間分辨技術（時間分辨電子光譜、紅外光譜和拉曼光譜、NMR、ESR、X-衍射）的發(fā)展和普及，為研究化學反應的全過程提供了手段，對原有的各種反應機理和活性中間體（協(xié)同反應、自由基反應、離子型反應、卡賓反應、激發(fā)態(tài)反應、電子轉(zhuǎn)移反應等）的認識將繼續(xù)發(fā)展。

計算機化學在確定分子結構和反應機理方面有著實驗不可替代的作用。3.分子間弱相互作用和超分子化學

包括基元結構的設計和合成，分子間弱相互作用的加和與協(xié)同產(chǎn)生的方向和選擇性，分子組裝和分子識別，超分子的結構和表征，超分子體系的信息功能和用途等問題，為物理有機化學創(chuàng)造了新的機遇。

超分子化學(SupramolecularChemistry)

是研究兩種或兩種以上的化學物種通過分子間弱相互作用所形成的復雜有序且具有特定功能體系的化學.二、有機合成化學OrganicSynthesis

在迄今已知的約2000多萬種有機分子中，大多數(shù)是通過有機合成途徑獲得的。通過有機合成化學的研究，不但可以從概念、理論、方法諸方面豐富和發(fā)展有機化學學科，而且也為化工、制藥等相關產(chǎn)業(yè)提供了科學基礎。

在21世紀，由于生命科學和材料科學迅速發(fā)展，以及人類對人類賴以生存的資源、環(huán)境、能源等可持續(xù)發(fā)展問題的日益關注，有機合成化學面臨嶄新的發(fā)展機遇。這種來自交叉學科和社會需求所形成的巨大推動力也是對有機合成提出的巨大挑戰(zhàn)，要求有機合成能“多、快、好、省”地進行！“多”即多樣性導向有機合成；“快”即要求有機合成高效快捷；“好”即合成過程和產(chǎn)品的環(huán)境友好和通過反應控制達到高

選擇性（特別是不對稱合成）；“省”即合成過程的材料（試劑，原子）資源、能源、時間、人力節(jié)省、廢棄物的減少等可持續(xù)發(fā)展要求。多、快、好、省”四個字可大體概括近期有機合成的主要發(fā)展動向。因此，探索新一代物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑，實現(xiàn)環(huán)境友好的高效、高選擇性合成化學新反應、新方法具有重要的科學意義和現(xiàn)實意義。有機合成的化學效率

1983年，美國斯坦福大學Trost教授以《選擇性：合成效率的關鍵》為題，闡述了選擇性合成在有機合成中的應用。隨后，他又于1991年提出有機反應的原子經(jīng)濟性概念。經(jīng)過30多年的努力，已發(fā)展許多高選擇性反應包括立體選擇性、化學選擇性和區(qū)域選擇性反應。

2003年，Beller提出有機合成的化學效率概念，認為有機合成的效率應既包括選擇性（包括化學選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性）和原子經(jīng)濟性（包括原子利用度，副產(chǎn)物）等化學反應的內(nèi)在效率，還應考慮經(jīng)濟（包括勞力、時間、能源、設備等）和環(huán)境因素（包括廢棄物、安全性、自然資源）等外在效率。

許多天然產(chǎn)物和藥物分子通常結構比較復雜，其合成需要多步驟反應與操作。在一瓶內(nèi)完成原來需要分兩步或多步進行的合成，即“一瓶反應（one-potreaction),

可以減少后處理和分離、純化步驟，是提高合成效率的一種有效途徑。一瓶反應包括：

串聯(lián)反應（tandemreaction)

多米諾反應（dominoreaction)

串級反應（cascadereaction)

連續(xù)反應（sequentialreaction)

一瓶多組分偶聯(lián)反應（one-potmulticomponentcouplingreaction)

多反應中心的雙向或多點并行反應等1.Tandemreaction串聯(lián)反應一般是指兩個屬于不同類型的反應串聯(lián)進行，在一瓶內(nèi)完成。2.Domino反應

生物體內(nèi)的化學反應和合成是高度有序、高選擇性、高效地進行，許多轉(zhuǎn)化涉及多步連鎖式反應。串聯(lián)反應一般經(jīng)歷活性中間體，如碳正離子、碳負離子、自由基或卡賓等，這樣，一個反應的發(fā)生可以啟動另一個反應，以此，多步反應可以連續(xù)進行。而無需分離中間體，不產(chǎn)生相應的廢棄物，可免除各步后處理和分離帶來的消耗和污染。3.一瓶多組分偶聯(lián)反應

Beller用兒童拼圖游戲形象地描繪了這類反應的特點，即兩個以上分子間的偶聯(lián)，分子的大部分結構融入產(chǎn)物。衡量多組分優(yōu)劣的標準是成鍵效率，即在一個過程中所形成鍵的數(shù)目。由于多組分反應可在一瓶內(nèi)，只經(jīng)一次操作即形成多個化學鍵而無需分離中間產(chǎn)物、改變反應條件或再次添加試劑，因而既可減少廢物的產(chǎn)生，也可減少人工。另外，由于多組分反應的特點是把各組分分子結構的大部分融進產(chǎn)物中，因而可快速增加分子的復雜性，同時由于反應的高效率，因而也可快速增加分子多樣性。因此，多組分反應成為近年興起的組合化學和多樣性合成中最常采用的方法。5.有機小分子催化6.氫鍵控制的選擇性反應有機合成化學研究內(nèi)容：1．開展合成方法學研究包括從化學原理入手，發(fā)展新概念、新反應、新試劑、新方法，發(fā)展高選擇性、高效、高原子經(jīng)濟性反應，以及環(huán)境友好介質(zhì)中的、實用的、“理想的”合成方法。2．開展具有獨特功能的分子的合成研究包括各種性能的材料、生理活性分子或天然產(chǎn)物，并特別重視其新合成方法的結合，以及提高合成的效率和簡捷性等。

2010年諾貝爾化學獎“有機合成中鈀催化交叉偶聯(lián)”理查德·?？薘ichardF.Heck，美國公民。1931年出生。1954年從美國加州大學洛杉磯分校獲得博士學位?，F(xiàn)為美國特拉華大學名譽退休教授。根岸英一

Ei-ichiNegishi，日本公民。1935年出生。1963年從美國賓夕法尼亞大學獲得博士學位?，F(xiàn)為美國普渡大學化學教授。鈴木章AkiraSuzuki，日本公民。1930年出生。1959年從日本北海道大學獲得博士學位?，F(xiàn)為北海道大學名譽退休教授。HeckreactionPalladium-catalyzedcouplingbetweenorganohalidesortriflateswitholefins.

SuzukicouplingPalladium-catalyzedcross-couplingreactionoforganoboraneswithorganichalides,triflates,hepresenceofabase(transmetalationisreluctanttooccurwithouttheactivatingeffectofabase).Negishicross-couplingreactionPalladium-catalyzedcross-couplingreactionoforganozincreagentswithorganichalides,triflates,etc.Itiscompatiblewithmanyfunctionalgroupsincludingketones,esters,amines,andnitriles.

金屬有機化學是研究金屬有機化合物的合成、結構、反應及應用的一門科學。研究金屬-碳鍵的形成及反應是金屬有機化學中一個十分活躍的研究領域。由于碳-金屬鍵的獨特反應性能，使得金屬有機化合物的反應具有選擇性高、條件溫和、原子經(jīng)濟性等優(yōu)點，是實現(xiàn)高效合成的重要手段，成為綠色合成及新材料合成的重要途徑之一。三、金屬有機化學

OrganometallicChemistry金屬有機化學的基礎研究

?中心研究內(nèi)容是金屬有機化學的基元反應及其機理，包括碳-

金屬鍵和其它元素-金屬鍵在不同配位環(huán)境下及各種反應介質(zhì)中的形成和反應；?功能性金屬有機化合物的設計、合成及性質(zhì)研究；?研究C-C鍵、C-H鍵以及C-雜原子鍵等非活性鍵的選擇性切斷與形成的規(guī)律，以及探索新一代物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑；?通過對金屬有機化學基元反應及其機理的深入研究，為發(fā)展導向合成化學提供理論依據(jù)。

四、不對稱催化AsymmetricCatalysis

手性科學的研究不僅為手性醫(yī)藥和農(nóng)藥的開發(fā)提供了科學基礎和技術支撐，而且在包括材料科學和信息科學等在內(nèi)的其他相關科學領域顯示出重要的應用前景，如手性液晶顯示、手性傳感、手性分離等。更為重要的是，手性科學研究有助于人類進一步認識自然界中的若干基本問題，如生命過程中的手性起源、手性傳遞與放大及手性分子相互作用的規(guī)律。隨著社會的發(fā)展與技術的進步，人類對手性醫(yī)藥、農(nóng)藥、香料、香精、食品添加劑等精細化學品以及電子工業(yè)對手性液晶材料和手性功能高分子材料等的需求無論在數(shù)量上還是在種類上都越來越多，適應這一需要的高新技術產(chǎn)業(yè)——手性技術（chiraltechnology）正在興起。

手性物質(zhì)的獲得：

1）來自天然，2）人工合成。外消旋體拆分；底物誘導的不對稱反應；催化不對稱反應是以化學手段獲得光學活性物質(zhì)的三種手段，其中催化不對稱反應是最有效的方法。一個高效率的催化劑分子可以產(chǎn)生成百上千乃至上百萬個光學活性產(chǎn)物分子，達到甚至超過了酶催化的水平。因此，開發(fā)高效率（efficiency）、高選擇性（selectivity）、高產(chǎn)出率（productivity）的手性催化劑已經(jīng)成為發(fā)展手性技術的核心問題。

在過去的十多年來，不對稱催化研究領域取得了長足的發(fā)展，特別是在新型手性配體設計、新反應、新概念、新方法、面向?qū)嵱没途G色化學的新策略等研究方面，展示了這一領域的獨特魅力。

2001年諾貝爾獎之所以授予三位從事不對稱催化研究的科學家Knowles、Noyori和Sharpless，以表彰他們在這一領域的基礎和應用研究方面的杰出貢獻，同時也說明手性催化研究領域本身的重要意義以及對相關學科如藥物、新材料將產(chǎn)生的深遠影響。威廉·諾爾斯（W.S.Knowles，1917-）美國人巴里·夏普萊斯（K.BarrySharpless，1941-）美國人野依良治（R.Noyori，1938-）日本人2001年諾貝爾化學獎獎金的一半授予美國科學家威廉·諾爾斯與日本科學家野依良治，以表彰他們在“手性催化氫化反應”領域所作出的貢獻；獎金另一半授予美國科學家巴里·夏普萊斯，以表彰他在“手性催化氧化反應”領域所取得的成就。五、天然產(chǎn)物化學NaturalProductChemistry

天然產(chǎn)物化學是有機化學學科的重要分支，是研究生物有機體代謝產(chǎn)物及其變化規(guī)律的科學，是在分子水平上認識自然、揭示自然奧秘的重要學科之一。

天然化合物也是創(chuàng)制新藥先導物的重要來源。天然產(chǎn)物化學的研究內(nèi)容主要涉及生物樣品中有機分子的分離純化、理化性質(zhì)、結構表征、生源途徑、功能、生物活性、全合成、結構修飾改造和構效關系等。

研究內(nèi)容：

1，緊密結合中藥現(xiàn)代化進程，開展中草藥藥效物質(zhì)研究，用創(chuàng)新研究思路、最新研究技術和方法，加快藥效物質(zhì)研究的速度。2.結合微量、痕量成分分離和結構鑒定新方法以及藥理活性篩選新模型，建立對中草藥和海洋生物資源進行創(chuàng)新性源頭研發(fā)，提供創(chuàng)新藥物先導物的研究體系。3.

有選擇性地繼續(xù)開展具有一定復雜性和生理活性的天然化合物的合成化學研究，以及結構修飾改造和構效關系研究，促進合成有機化學的發(fā)展、藥物先導化合物的發(fā)現(xiàn)。Corey1988Ginkgolide銀杏內(nèi)酯的合成是精心設計合成的一個代表作青蒿素：源自中草藥園的發(fā)現(xiàn)

4.冬凌草活性成分的開發(fā)研究:<國家863研究開發(fā)項目>5.其它天然產(chǎn)物活性成分的開發(fā)斯特維醇

異斯特維醇

SteviolIsosteviol甜菊糖六、綠色化學GreenChemistry

面對環(huán)境保護的重大壓力，綠色化學提供了一些新的概念，其基本點是，通過研究和改進化學化工反應及相關的工藝，從根本上減少以至消除副產(chǎn)物的生成，從源頭上解決環(huán)境污染的問題。以此為目的的研究所帶來的新的高效化工工藝也會大大提高經(jīng)濟效益，因此，綠色化學是21世紀化學化工研究的重要發(fā)展方向，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。20世紀90年代初，化學家提出了與傳統(tǒng)的“治理污染”不同的“綠色化學”的概念，即如何從源頭上減少，甚至消除污染的產(chǎn)生。通過研究和改進化學化工過程，從根本上降低，以至消除副產(chǎn)品或廢棄物的生成，從而達到保護和改善環(huán)境的目的。

綠色化學的基本原理：

1）防止污染的產(chǎn)生優(yōu)于治理產(chǎn)生的污染；

2）原子經(jīng)濟性；

3）只要可行，應盡量采用毒性小的化學品和合成路線；

4）更安全的化學品的設計應能保留其功效，但降低毒性；

5）應盡可能避免使用輔助物質(zhì)（如溶劑、分離劑等），用時應是無毒的；

6）應考慮到能源消耗對環(huán)境和經(jīng)濟的影響，并應盡量少地使用能源；

7）原料應是可再生的，而非將耗竭的；

8）盡量避免不必要的衍生化步驟；

9）催化性試劑（有盡可能好的選擇性）而非當量性試劑；10）化工產(chǎn)品在完成其使命后，不應殘留在環(huán)境中，而應能降解為無害的物質(zhì)；11）分析方法必須進一步發(fā)展，以使在有害物質(zhì)生成前能夠進行即時的和在線跟蹤及控制；12）在化學轉(zhuǎn)換過程中，所選用的物質(zhì)和物質(zhì)的形態(tài)應能盡可能地降低發(fā)生化學事故的可能性。

1.原子經(jīng)濟性:

理想的“原子經(jīng)濟性反應”應該是有100%的反應物轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)物中，而沒有副產(chǎn)物生成。傳統(tǒng)的有機合成化學比較重視反應產(chǎn)物的收率，而較多地忽略了副產(chǎn)物或廢棄物的生成，例如，Wittig成烯反應是一個應用非常廣泛的有機反應，但是，從綠色化學的角度來看，它生成了較多的副產(chǎn)物，“原子經(jīng)濟性”很差。Noyori等在超臨界二氧化碳中，從二氧化碳和氫合成了甲酸，被認為是最理想的反應之一。在炔二醇在鈀催化下異構化成1，4-二酮的反應中，三鍵飽和所需要的四個氫原子全部來自原料本身，這是原子經(jīng)濟性反應的典型例子：

在精細化學工業(yè)品的合成過程中，芳烴的硝化是一個非常重要而又造成嚴重污染的過程，在染料、制藥、香料、塑料等工業(yè)中都有這個問題。歷來都是用大大過量的硝酸和硫酸的混合物來進行硝化，在排污上存在極大的問題。近年來，這一問題受到了重視。有若干報道都是發(fā)展原子經(jīng)濟性的硝化反應。例如，用三氟磺酸稀土為催化劑的芳烴硝化反應：最近，這類硝化反應已發(fā)展到較難進行硝化的貧電子芳烴上。2.發(fā)展高選擇性、高效的催化劑綠色化學所要求的目標是實現(xiàn)高選擇性、高效的化學反應，極少的副產(chǎn)物，實現(xiàn)“零排放”，繼而達到高“原子經(jīng)濟性”的反應。顯然，相對化學當量的反應，高選擇性、高效的催化反應更符合綠色化學的基本要求。3.簡化反應步驟，減少污染排放，開發(fā)新的合成工藝

對于那些從傳統(tǒng)的觀念看，設計和效益都是合理的工藝路線，也要從綠色化學的原理給以重新審視。這對于有機合成化學提出了新的、更高的要求。4.新的或非傳統(tǒng)的“潔凈”反應介質(zhì)的開發(fā)利用

有機反應大都是在溶劑中進行的。有機合成化學也可看成是“溶劑化學”。有機溶劑是有機物對環(huán)境造成污染的主要源頭之一，因此，選擇與環(huán)境友好的“潔凈”的反應介質(zhì)是綠色合成化學研究的重要組成部分。目前，主要有以下幾個方面：超臨界和近（或亞）臨界流體、液態(tài)水、離子液體、氟兩相體系等，還可以包括一些無溶劑的固態(tài)反應。七、化學生物學ChemicalBiology

化學生物學是順應于20世紀后半葉生物學日新月異的進展，在化學學科的原有的幾個分支—生物有機化學、生物無機化學、生物分析化學、生物結構化學以及天然產(chǎn)物化學的基礎上提出的新興學科。其目的是鼓勵更多的化學家和生物學家參與利用化學手段研究生命體系的過程及調(diào)控。

2008年10月8日，日本科學家下村修、美國科學家馬丁·沙爾菲和美籍華裔科學家錢永健獲得2008年諾貝爾化學獎。這三位科學家因在發(fā)現(xiàn)和研究綠色熒光蛋白方面做出貢獻而獲獎。水晶水母

3位諾貝爾獎得主第一次分離出的熒光基因，就是從照片中的這種水晶水母體內(nèi)獲得的。會發(fā)光的老鼠圖片中的小老鼠是1997年7月在大阪大學降生的，它們是第一種能夠在夜里發(fā)光的哺乳動物。研究人員可利用熒光老鼠研究胎兒發(fā)育。

發(fā)紅光的貓

左側(cè)的貓由韓國研究人員2007年晚些時候打造，能夠在紫外線下發(fā)出紅光。

農(nóng)藥化學是有機化學與生物學交叉而形成的應用基礎研究的一門分支學科。目前和不久的將來，化學農(nóng)藥仍將在植物保護方面占據(jù)主導地位。近年來我國在新農(nóng)藥創(chuàng)制方面取得一定進展，但與國外先進水平相比仍有較大的差距。主要表現(xiàn)在基礎理論研究不夠深入、系統(tǒng)，缺乏原創(chuàng)性的分子設計思想，研究課題多屬跟蹤性質(zhì)。在國際上，發(fā)展高效、環(huán)境友好的化學農(nóng)藥，實現(xiàn)對物種由“殺滅”轉(zhuǎn)向“調(diào)控”的概念轉(zhuǎn)變是總的發(fā)展趨勢。

六、農(nóng)藥化學InsecticidesChemistry七、藥物化學PharmaceuticalChemistry

藥物化學是有機化學的一個重要分支，與生命科學密切相關。創(chuàng)新藥物研究可分為發(fā)現(xiàn)和開發(fā)兩個階段，其中發(fā)現(xiàn)階段對創(chuàng)新藥物的研究具有決定性的意義。這一階段的研究包括：闡明疾病防治的分子和細胞機制以及藥物作用的靶標，發(fā)展尋找新藥的新理論、新方法、新技術，