有机合成

基本介绍

从较简单的化合物或单质经化学反应合成有机物的过程。有时也包括从复杂原料降解为较简单化合物的过程。由于有机化合物的各种特点，尤其是碳与碳之间以共价键相连，有机合成比较困难，常常要用加热、光照、加催化剂、加有机溶剂甚至加压等反应条件。1828年F.维勒由无机物氰酸铵合成了动物代谢产物尿素，数年之后H.科尔贝又合成了乙酸，从此有机合成化学获得迅速发展。

合成目的

当我们需要某种有机物，而自然界中没有该有机物或产量很低时，我们常常会採用有机合成的方法来生产该有机物，而合成的原料往往是自然界中产量较高价格较低的初等原料。比如随处可见的塑胶在自然界中却难以找到现成的，其主要成分为树脂，可用树脂合成。而天然树脂的产量并不高，于是便採用石油分馏产物来合成树脂。如此便形成了一条合成链：

石油分流产物→合成树脂→塑胶

当然，此链尚不完善，其中细节过程暂不讨论。由此可以看出有机合成的目的为：利用高产的廉价原料合成低产的目的原料，实现利益的最大化。

合成方法

合成中的每一步化学反应都要求使用适当的化学试剂与反应条件来得到最佳产率纯度以及尽可能简易的操作。有时候从文献中可以找到製造相同合成中间体的方法，这种状况下通常会因循前例採用那些方法而不是另起炉灶自行研发。但是，大部分的合成中间体都是以前从来没有被製造过的，因此就必须要借助研究合成方法的学者所开发出一般性的方法。

一个合成方法要能够给出高产率以及能够套用在不同种类的分子，如此才会被广泛地使用在全合成中。研究合成方法通常包括三个主要阶段：开发、最最佳化、研究合成方法的套用性以及限製。对于化学试剂的反应性的知识与经验是开发合成方法不可或缺的条件。

最最佳化指的是对于一两个分子试验不同的反应条件（温度、溶剂、反应时间等等）直到获得最佳的产率与纯度。接着研究者会把最最佳化的合成方法使用在一系列的分子上来探讨这一个合成方法的套用性以及限製。较有规模的研究团队常常会借由全合成来展示他们合成方法的优点和套用在真实例子的价值。

全合成

全合成是从可简单购得或天然存在的有机分子开始合成一个完整复杂的目标分子。线上性合成中，由起始物开始经由化学反应一步一步建构目标分子，而每一步所得到的产物分子则称为合成中间体。合成更加复杂的目标分子通常需要将数个线性合成组合起来。经由几个线性合成组合出目标分子的不同部分，然后再拼装成最终产物，这样的合成策略称为收敛性合成。通常收敛性合成是比较有效率的合成，除了有较高的总产率之外，也可以减少溶剂、管柱用硅胶以及其他化学原料的使用。

历史上许多合成有机化学家曾对于全合成的领域做出不少贡献。1965年诺贝尔化学奖得主Robert Burns Woodward被公认为是有机合成之父，曾经作过许多杰出的有机合成，例如叶绿素、维生素B12和番木鳖硷等等。其它较晚期的例子包括Paul A. Wender, Robert A. Holton、K. C. Nicolaou、Samuel Danishefsky在紫杉醇合成上的研究。

不对称合成

天然分子通常是以单一对掌异构物的形式存在，但传统的全合成只能够合成外消旋体混合物，而外消旋体混合物有时可以经由手性分割来分离。

二十世纪后叶化学家开始投入不对称合成的研究，其中包括以不对称催化剂及动力学手性分割来直接获得单一对掌异构物而不是外消旋体混合物。早期的例子包括Sharpless不对称环氧化反应（K. Barry Sharpless）以及不对称氢化（William S. Knowles、野依良治），而这些研究者根据他们在不对称合成上的贡献共同获得了2001年诺贝尔化学奖。以往掌性起始物常常只能从天然物中获得，但这一些不对称反应提供了化学家更多掌性起始物的选择。借助由Robert Burns Woodward创新的技术以及控製立体化学之合成方法上的进展，化学家渐渐有能力避免外消旋化的问题，因此不需要任何的手性分割就可以得到以单一对掌异构物的形式存在的最终产物。这一种技术和概念通称为不对称合成。

路线评判

有机合成的关键，在于合成的线路。一条好的线路可以实现利益的最大化。而合成线路的研究，也就成了有机合成的精髓所在。

评价一条好的线路也有标準。

1.反应步骤尽可能少；由于产率几乎无法达到100%，路线中每一步的合成，都意味着原料的损失，每一步骤的产率叠乘，得到的总产率将非常低。如以下示例：

因此，反应步骤尽可能少便意味着产率的提高，也意味着利益的提高。

2.每一步的产率尽可能高；如果上述合成路线每一步的产率为51%，则总产率约为3.5%，产量提高了17%。每一步的产率高也会带来高额的利润。

3.反应条件(温度,时间,催化剂等)尽可能温和；较难达到的反应条件意味着成本增高，利润降低，故反应条件应尽可能温和。

4.原料、试剂尽可能廉价,易得；低价的原料意味更高的利润。

5.绿色环保，废料可作他用或可回收等。

方法探究

合成方法的研究，大致分为正向分析和逆向分析。

正向分析，及从原料出发，找出合成所需的中间体，逐步推向合成的目标有机物。此种方法是考题中常考题型。

逆向分析，是将目标化合物倒退一步寻找上一步反应的中间体，而这个中间体，又可由上一步的中间体得到，以此类推，最后确定最适合的基础原料和最终的合成路线。逆向分析法是设计复杂化合物的常用方法。

两种方法并不独立，将其结合运用才为正确的合成路线探索方法。在考试中遇到此类题型，也应灵活地将两种方法相结合使用。

例如：用苯和适当的无机试剂合成：

已知原料，则结合原料的性质及原料所能得到的与目标物结构相似的中间产物，若能由目标产物倒推至该中间产物，则路线设计成功。分析思路：

笨可以硝化得到硝基苯，从而还原得到氨基苯，而苯环上氨基的性质为邻间对易加成。与目标产物相似，再倒推知间三溴苯可以由2-4-6三溴苯胺转换，2-4-6三溴苯按可以由氨基苯转换，由此路线主体设计完毕。可得出以下合成路线：

同时，根据此例，也可看出，熟练掌握各种有机反应类型、每种官能团的性质、每种反应能达到的目的、官能团之间的转换反应等都是有机合成的重点。我们在课上所学内容也是有机合成重要的基础。

方法策略

有机合成方法的策略大致分为两种：线性合成策略和收敛型合成策略。

线性合成策略：

收敛型合成策略：

由上图可看出通常情况下收敛型合成策略有较高的产率。

分类介绍

有机合成大致分为两方面：

①基本有机合成。包括从煤炭、石油、水和空气等原材料合成重要化学工业原料，如合成纤维、塑胶和合成橡胶的原料，溶剂，增塑剂，汽油等，其产量几乎接近于钢铁的数量级。

②精细有机合成。包括从较简单的原料合成较复杂分子的化合物，如化学试剂、医葯、农葯、染料、香料和洗涤剂等。

20世纪70年代以后，有机合成的新领域迅速发展，如一些有一定立体构象的天然复杂分子的合成，一些新的理论和方法如反应机理、构象分析、光化学的套用等方面的进展，尤其是分子轨道对称守恆原理的提出，对有机合成化学起着极大的推动作用。

主要影响

有机合成为我们的生活带来了天翻地覆的变化。农业上通过有机合成生产化肥，提高了粮食产量；化工业中，通过有机合成生产出各类产品，为我们的生活带来便利。而葯物的合成使人口死亡率大大降低，曾经稀少短缺的葯品不再成为导致人们死亡的原因。

有机合成也留给了我们一些问题。比如在合成中，有时会产生手性化合物，而其中往往仅有一种可用。将两种手性物分离，步骤繁琐、产量很低且手性分割剂较难寻找。如何实现手性物的高效低成本转换，在有机合成中仍有待解决。同时，一些珍贵有机物，如紫杉醇，人工合成方法仍不成熟，大量紫杉醇仍来自于红豆杉树皮的提炼。开发紫杉醇合成方法，挽救红豆杉、挽救更多的肿瘤患者也是不容忽视的一个问题。

紫杉醇结构式

红豆杉