高等有机化学陶京朝.ppt

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1、高等有机化学,Advanced Organic Chemistry,陶京朝,参考书:F.A.Carey,R.J.Sundberg,Advanced Organic Chemistry Part A.Structure and Mechanism Part B.Reaction and Synthesis 中译本:高等有机化学,A卷:结构与机理;B卷:反应与合成 夏炽中译2.M.B.Smith,J.March Marchs Advanced Organic Chemistry Reactions,Mechanisms and Structure中译本:高等有机化学,上:反应机理与结构;下:反应与

2、合成 陶慎熹,赵景雯译,3.T.H.Lowry,K.S.Richardson Mechanism and Theory in Organic Chemistry4.高振衡 物理有机化学 上,下册,高等教育出版社5.王积涛 高等有机化学 人民教育出版社6.恽愧宏,高鸿宾,任责忠,高等有机化学 高等教育出版社7.俞凌翀 基础理论有机化学 高等教育出版社8.荣国斌 高等有机化学基础 化学工业出版社,绪论 Introduction,有机化学是研究有机化合物的来源、制备、结构、性能、应用以及有关理论和方法的科学,有机学科的发展:揭示了构成物质世界的有机化合物分子中原子键合的本质以 及有机分子转化的规律，

3、并合成了特定性能的有机分子；,为相关学科（如材料科学、生命科学、环境科学 等）的发 展提供了理论、技术和材料。,有机化学是一系列相关工业的基础，在为推动科技发展、社会 进步，提高人类的生活质量，改善人类的生存环境的努力中，已经并继续显示出它的高度开创性和解决重大问题的能力。,Jean-Marrie Lehn:In its method,Chemistry is a science of interactions,of transformations and of models.In its object,molecule and material,chemistry expresses its

4、 creativity.Chemical synthesis has the power to produce new molecules and newmaterials with properties.,有机化学是一门极具创新性的学科 建立在现代物理（特别是量子物理）和物理化学基础上的物理 有机化学，在定量的研究有机化合物的结构、反应和反应机理 等方面所取得的成果，不仅指导着有机合成化学，而且对生命 科学的发展也有重大意义。,有机合成化学在高选择性反应的研究，特别是不对称催化方法 的发展，使得更多具有高生理活性、结构新颖分子的合成成为 可能。,金属有机化学和元素有机化学，为有机合成化学提供

5、了高选 性的反应试剂和催化剂，以及各种特殊材料及其加工方法。,有机化学以它特有的分离、结构测定、合成等手段，以成为人 类认识自然、改造自然具有非凡能动性和创造力的武器。,计算机技术的引入，使有机化学的结构测定、分子设计和合成 设计上如虎添翼，发展得更为迅速。同时，组合化学的发展不 仅为有机合成提出了一个新的研究内容，而且也使高通量的自 动化合成有机化合物成为现实。,在21世纪，有机化学面临着新的发展机遇 一方面，随着有机化学自身的发展及新的分析技术、物理方法 及生物学方法的不断涌现，人类在了解有机化合物的性能、反 应及合成方面将有更新的认识和研究手段；另一方面，材料科学和生命科学的发展，以及人

6、类对于环境和 能源新的要求，都给有机化学新的课题和挑战。有机化学将在物理有机化学、有机合成化学、天然产物化学、金属有机化学、化学生物学、有机分析和计算化学、农药化学、药物化学、有机材料化学等各个方面得到发展。,、物理有机化学(Physical Organic Chemistry),物理有机化学是用物理化学的方法研究有机化学的科学，是一门指导有机化学其它学科发展的学科。它研究有机化合物的结构和性能，有机化学反应如何发生和为什么发生，从中找出规律，指导设计、合成新的物种，预见和发现新的有机现象。,研究内容：1.有机化合物的结构与性能的关系 现代光谱、波谱和显微技术的发展为表征分子结构提供了基 础。

7、化合物结构决定着性能，包括化学反应性（立体效应、电子效应、溶剂效应等），物理性能（光、电、磁性能）、生命功能等。,2.反应机理和活性中间体,时间分辨技术（时间分辨电子光谱、红外光谱和拉曼光谱、NMR、ESR、X-衍射）的发展和普及，为研究化学反应的全过程提供了手段，对原有的各种反应机理和活性中间体（协同反应、自由基反应、离子型反应、卡宾反应、激发态反应、电子转移反应等）的认识将继续发展。计算机化学在确定分子结构和反应机理方面有着实验不可替代的作用。,3.分子间弱相互作用和超分子化学,包括基元结构的设计和合成，分子间弱相互作用的加和与协同产生的方向和选择性，分子组装和分子识别，超分子的结构和表征

8、，超分子体系的信息功能和用途等问题，为物理有机化学创造了新的机遇。,超分子化学(Supramolecular Chemistry)是研究两种或两种以上的化学物种通过分子间弱相互作用所形成的复杂有序且具有特定功能体系的化学,分子化学与超分子化学的对应关系项目 分子化学 超分子化学结构单元 原子或原子团 具有组装功能的分子结合力 共价键 非共价键结构的实现 合成化学 分子组装结构 分子结构 超分子结构性能 物理和化学性能 物质、能量和信息 传输功能,二、有机合成化学,在迄今已知的众多的有机分子中，大多数是通过有机合成途径获得的。通过有机合成化学的研究，不但可以从概念、理论、方法诸方面丰富和发展有机

9、化学学科，而且也为化工、制药等相关产业提供了科学基础。,21世纪，有机合成化学面临着新的机遇和挑战，生命科学、材料科学和环境科学的发展对有机合成化学家提出了新的、更高的要求，即发展“理想的”合成方法：强调实用的、环境友好的、资源可持续利用的，它能够从简单的原料出发，在温和条件下经过简单的步骤，快速、高选择性地转化为目标分子。要想达到这样的“绿色合成”的目标，化学家们需要从理念、原理、方法诸方面进行变革与创新。,研究内容：,1开展合成方法学研究 包括从化学原理入手，发展新概 念、新反应、新试剂、新方法，发展高选择性、高效、高原子经济性反应，以及环境友好介质中的、实用的、“理想的”合成方法。,2开

10、展具有独特功能的分子的合成研究 包括各种性能的材 料、生理活性分子或天然产物，并特别重视其新合成方法的 结合，以及提高合成的效率和简捷性等。,三、天然产物化学,天然产物化学是有机化学学科的重要分支，是研究生物有机体代谢产物及其变化规律的科学，是在分子水平上认识自然、揭示自然奥秘的重要学科之一。天然化合物也是创制新药先导物的重要来源。天然产物化学的研究内容主要涉及生物样品中有机分子的分离纯化、理化性质、结构表征、生源途径、功能、生物活性、全合成、结构修饰改造和构效关系等。深入开展结构新颖和具有显著意义的生物活性天然产物的系统综合性研究，对有机化学的发展和新药创制以及我国天然生物资源的保护和合理开

11、发利用具有重要的学术意义和直接或潜在的社会经济价值。,研究内容：,紧密结合中药现代化进程，开展中草药药效物质研究，用创新 研究思路、最新研究技术和方法，将天然产物化学与组合化学 与功能基因组学相融合，加快药效物质研究的速度，创立天然 产物化学组学。,2.结合微量、痕量成分分离和结构鉴定新方法以及药理活性筛选 新模型，建立对中草药和海洋生物资源进行创新性源头研发，提供创新药物先导物的研究体系。,3.有选择性地继续开展具有一定复杂性和生理活性的天然化合物 的合成化学研究，以及结构修饰改造和构效关系研究，促进合 成有机化学的发展、药物先导化合物的发现，特别是在全合成 方面要鼓励提倡利用与发展新策略，

12、新方法进行天然产物的合 成。,Corey 1988Ginkgolide银杏内酯的合成是精心设计合成的一个代表作,四、金属有机化学 Organometallics,金属有机化学是研究金属有机化合物的合成、结构、反应及应用的一门科学。研究金属-碳键的形成及反应是金属有机化学中一个十分活跃的研究领域。由于碳-金属键的独特反应性能，使得金属有机化合物的反应具有选择性高、条件温和、原子经济性等优点，是实现高效合成的重要手段，成为绿色合成及新材料合成的重要途径之一。金属有机化学包括主族元素金属有机化学和过渡金属有机化学等。,研究内容：,1金属有机化学的基础研究 中心研究内容是金属有机化学的基元反应及其机理

13、，包括碳-金属键和其它元素-金属键在不同配位环境下及各种反应介质 中的形成和反应（包括断裂）；功能性金属有机化合物的设计、合成及性质研究；研究C-C键、C-H键以及C-杂原子键的选择性切断与形成的规 律，以及探索新一代物质转化途径；通过对金属有机化学基元反应及其机理的深入研究，为发展导 向合成化学提供理论依。,五、化学生物学,化学生物学是顺应于20世纪后半叶生物学日新月异的进展，在化学学科的原有的几个分支生物有机化学、生物无机化学、生物分析化学、生物结构化学以及天然产物化学的基础上提出的新兴学科。其目的是鼓励更多的化学家和生物学家参与利用化学手段研究生命体系的过程及调控。化学生物学研究目前大致

14、包括以下几个部分：,（1）从天然化合物和化学合成的分子中发现对生物体的生理过 程具有调控作用的物质，并以这些生物活性小分子作为探 针和工具，研究它们与生物靶分子的相互识别和信息传递 的机理；,（2）发现自然界中生物合成的基本规律，从而为合成更多样性的 分子提供新的理论和技术；（3）作用于新的生物靶点的新一代的治疗药物的前期基础研究；（4）发展提供结构多样性分子的组合化学；（5）对于复杂生物体系进行静态和动态分析的新技术等。,这些研究不但可以了解生命体系中大分子之间的作用和信息传递从另一角度深入到生命现象的分子行为，具有深远的科学意义，而且具有宽广的应用前景。,本领域的研究应对于以下方面予以关注

15、,1天然的或设计合成的生物活性小分子与生物体靶分子间的相 互作用、分子识别和信息传递详细机制的研究 包括小分子 与核酸、小分子与蛋白质的相互作用及小分子操控的核酸与 蛋白、蛋白与蛋白、蛋白与寡糖的相互作用。,2生物催化体系及其模拟研究，包括催化抗体、酶性核酸的结 构改造和整体细胞的生物转化等。,3生物大分子（核酸、蛋白质、糖）及其模拟物的合成及应用 研究。,五、绿色化学,面对环境保护的重大压力，绿色化学提出了一些新的观念，其基本点是，通过研究和改进化学化工及相关的工艺，从根本上减少以至消除副产物的生成，从源头上解决环境污染的问题。以此为目的的研究所带来的新的高效化工工艺也会大大提高经济效益。可

16、以看出，绿色化学是21世纪化学化工研究的重要发展方向，是实现可持续发展的重要保障。,本领域的研究应对于以下方面予以关注。,1发展高效、高选择性的“原子经济性”反应 其中，催化的不 对 称合成反应仍是获得单一手性分子的方法之一，应加强有关的 新反应、新技术、新配体及催化剂的研究，加强开发和改进与 绿色有关的生物催化的有机反应的研究。,2开发符合绿色化学要求的新反应以及相应的工艺 降低或避免 使用对环境有害的原料，减少副产物的排放，直至零排放。,3环境友好的反应介质的开发和利用 其中可包括水、超临界流 体、近临界流体、离子液体等，以替代传统反应介质的研究。,4可重复使用材料、可降解材料和生物质的利

17、用以及人类生活中 废弃物的再利用。,六、农药化学,农药化学是有机化学与生物学交叉而形成的应用基础研究的一门分支学科。目前和不久的将来，化学农药仍将在植物保护方面占据主导地位。尽管近年来我国在新农药创制方面取得一定进展，但与国外先进水平相比仍有较大的差距。主要表现在基础理论研究不够深入、系统，缺乏原创性的分子设计思想，研究课题多属跟踪性质。在国际上，发展高效、环境友好的化学农药，实现对物种由“杀灭”转向“调控”的概念转变是总的发展趋势。,七、药物化学,药物化学是有机化学的一个重要分支，与生命科学密切相关。创新药物研究可分为发现和开发两个阶段，其中发现阶段对创新药物的研究具有决定性的意义。这一阶段

18、的研究包括：阐明疾病防治的分子和细胞机制以及药物作用的靶标，发展寻找新药的新理论、新方法、新技术，其核心就是要发现创新药物的先导化合物的分子结构并加以优化。,八、有机新材料化学,现代科学技术突飞猛进的发展，尤其是信息技术的发展，对材料科学提出了更高的要求，迫切需要新技术。相对于其他功能材料，以有机化学为基础的分子材料具有以下特点：,（1）化学结构种类繁多，给人们提供了很多发现新材料的机遇；,（2）运用现代合成化学的理论和方法，能够有目的的改变功能分 子的结构，进行功能组合和集成；,（3）运用组装和自组装的原理，能够在分子层次上组装功能分 子，调控材料的性能。,在今后一段时期内，对于以下领域应予

19、以关注：,具有潜在光、电、磁等功能的有机分子的合成和有序组装，并在此基础上运用物理化学的原理和方法，进行功能分子的 组装和自组装，从而得到新型具有光电磁性能的分子材料；,2.分子材料中的电子、能量转移和一些快速反应过程的研究，为分子器件的设计提供依据和模型体系；,运用化学学科的其它分支以及其它学科（如物理、电子）的方法和技术开展分子器件的研究应用。,九、计算化学,计算化学在有机化学中占有重要地位，研究内容越来越广泛，许多化学和生物化学甚至分子生物学问题，均应用计算化学方法进行研究。在此基础上，已派生出许多更加实用的计算技术，如分子模拟和分子图形学、计算机辅助设计技术和计算生物学，这些方法和技术

20、已经在材料科学和生命科学中得到了广泛而富有成效的应用。,目 录第一章 取代基效应()第二章 立体化学()第三章 有机反应活性中间体()第四章 饱和碳原子上的亲核取代反应()第五章 芳环上的取代反应()第六章 碳碳重键的加成反应(),第七章 碳杂重键的加成反应()第八章 消除反应()第九章 分子重排反应()第十章 周环反应(),第一章 取代基效应(Substituent Effects),一.诱导效应 结构特征 传递方式 传递强度 相对强度,取代基效应,电子效应,二.共轭体系,1.共轭体系与共轭效应2.结构特征3.传递方式,4.相对强度,三.超共轭效应,-超共轭体系-p 超共轭体系,四.场效应,

21、五.空间效应 1.对化合物稳定性的影响 2.对化合物酸性的影响 3.对反应活性的影响 4.张力：F-张力，B张力，角张力,第二章 芳香性(Aromaticity),一.单环共轭烯,芳香性Hckel 规则,二.带电荷的芳环,四.杂环(Heterocyclic)的芳香性,三.稠环体系(Fused Aromatic Ring),五.同芳香性(Homoaromaticity),六.反芳香性(Antiaromaticity),第三章 立体化学(Steric Chemistry),立体化学分子结构,一.对映异构,（一）分子的对称性 对称要素 对称分子 非对称分子 不对称分子,（二含一个手性中心的分子,手性

22、中心为碳原子的分子,手性中心为氮原子的分子手性中心为其它杂原子的分子,（三）含两个（或多个）手性中心的分子,赤藓型苏阿型,非对映异构 体(Diastereomers)内消旋体(meso-),（四 环状化合物的对映异构,（五）不含手性中心的手性分子,（六）前手性分子（Prochiral Molecules),（七不对称合成(Asymmtric Synthesis),二.顺反异构(Cis-Trans Isomerism),第四章 有机反应活性中间体(Reactive intermediates),一.正碳离子(Carbocations)（一）.正碳离子 的结构（二）.正碳离子的稳定性取代基效应的影

23、响 溶剂效应的影响（三）.正碳离子的生成1.直接离子化2.正离子对不饱和分子的加成（四）.非经典正碳离子(Nonclassical Carbocations)1.键参与的非经典正碳离子2.键参与的非经典正碳离子,3.环丙烷基的邻位参与4.芳基的邻位参与,二.负碳离子(Carbanions)（一）.负碳离子的生成1.C-H的异裂（金属有机化合物的生成）2.负离子对不饱和键的加成(二）.负碳离子的结构（三）.负碳离子的稳定性剑桥影响因素s-性质取代基效应芳香性由相邻杂原子导致的稳定性非邻位键的影响溶剂效应,三.自由基(Free radicals),1.自由基的种类及结构烷基自由基烯丙基型自由基桥头

24、自由基2.自由基的生成(1)热解自由基的引发剂 BPO AIBN(2)光解3.自由基的稳定性键的解离能,四.碳烯（卡宾）(Carbenes)1.碳烯的结构 单重态碳烯(singlet state)三重态碳烯(triplet state)2.碳烯的生成a.分解反应 b.消除反应3.碳烯的反应a.对 C=C 的加成b.对 C H的插入,五.氮烯（乃春）(Nitrenes)1.氮烯的类型2.氮烯的结构 单重态氮烯 三重态氮烯3.氮烯的反应 加成反应 插入反应,六.苯炔(Benzyne)1.苯炔的结构2.苯炔的产生3.苯炔的反应,第五章 饱和碳原子上亲核取代反应(Aliphatic Nucleophi

25、lic Substitution),一.反应类型二.反应机理(Reaction Mechanism)1.机理2.SN2机理3.离子对机理4.Sni机理5.单电子转移(SET)机理三.立体化学1.SN1反应2.SN2反应,四.影响反应活性的因素1.底物的烃基结构2.离去基团(L)3.亲核试剂(Nu:)4.溶剂五.邻基参与反应六.亲核取代反应实例,第六章 芳环上的取代反应,一.亲电取代反应1.反应机理 芳正离子的生成 加成消除机理2.反应的定向与反应活性a.反应活性与定位效应 b.动力学控制与热力学控制 c.邻、对位定向比 亲电试剂活性 空间效应。极化效应,溶剂效应 螯合效应 原位取代(Ipso

26、attack)3.取代效应的定量关系a.分速度因数与选择性 b.Hammett 方程,二.芳环上亲核取代反应1.加成消除机理2.SN1机理3.消除加成机理（苯炔机理）三.芳环上的取代反应及其应用1.Friedel-Crafts 反应2.Rosenmund-Braun 反应,第七章 碳碳重键的加成反应(Addition to Carbon-Carbon Multiple Bonds),试剂进攻碳碳重键的途径,一.亲电加成反应（一）.亲电加成反应(Electrophilic Addition)1.正碳离子机理 2.翁型离子机理 3.三分子加成机理（二）.亲电加成反应的立体化学 反式加成 顺式加成影

27、响因素,（三）.亲电加成反应的活性(Reactivity)（四）.亲电加成反应的定向(Orientation)区域选择性(Regioselective)（五）.共轭二烯烃的亲电加成,二.亲核加成反应1.碳碳双键的加成 氰乙基化反应 Micheal reaction2.碳碳叁健的加成,第八章 碳杂重键的加成(Addition to Carbon-Hetero Multiple Bonds)一.反应机理碱催化机理酸催化机理二.羰基活性1.底物 电子效应 空间效应2.亲核试剂 试剂的亲核性的强度 试剂的可极化度大小 空间效应,三.羰基化合物的亲核加成反应实例1.Wittig 反应反应机理 膦叶立德(

28、Ylide)硫叶立德2.羟醛缩合反应 反应机理四.羧酸衍生物与亲核试剂的加成反应1.反应机理2.反应活性Claisen 酯缩合反应及相关反应,五.金属氢化物与羰基的加成反应反应机理反应的立体化学 六.,-不饱和羰基化合物的加成反应1.反应机理2.影响加成方式的因素七.碳氮的亲核加成反应1.亚胺的亲核加成 Mannich 反应2.腈的亲核加成反应 Thorpe 反应,第九章 消除反应(Elimination)一.反应的类型二.反应机理1.E1机理 2.单分子共轭碱消除(E1CB)机理 3.E2机理4.反应机理的转化三.反应的定向1.一般规则2.反应机理与定向的关系四.反应的立体化学五.消除与取代

29、的比较六.其它1,2消除反应,七.热消除反应 反应特点1.羧酸酯的热消除反应2.Cope 反应,第十章 自由基反应一.自由基反应的特点1.反应的三个阶段2.介质的影响二.笼蔽效应(Cage effect)三.自由基取代反应1.反应机理2.影响反应活性的因素 3.自由基取代反应的实例1.卤化反应 2.发挥上的取代反应四.自由基的加成反应,第十一章 分子重排反应(Rearrangements)一.亲核重排1.Wagner-Meerwein 重排2.频哪醇重排3.二苯基乙二醇的重排4.Backmann 重排5.Baeye-Villiger 重排二.亲电重排1.Favoriskii 重排2.Stevens 重排3.Wittig 重排4.Fries 重排,第十三章 周环反应(Pericyclic Reactions),（一）周环反应（1）电环化反应（2）环加成反应（3）移位反应（二）周环反应的理论及其应用（1）前线轨道法及其应用举例（2）能级相关法及其应用举例（3）芳香性过渡态概念及其应用举例,