第六章 合成子与极性转换
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逆向合成分析及其应用
常见的a3-合成子主要有b-羰基正离子，相 应的合成等价体是a, b-不饱和羰基化合物、a, b-不饱和羧基化合物和a, b-不饱和腈。 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、2-丙烯醇的磺酸酯和2丙炔醇的磺酸酯。 此外，氧杂环丁烷有时也可以充当a3-合成 子的合成等价体。
t-Bu O
t-Bu
反合成子(retron)
反合成元是反合成分析中进行某一转换所必要的结构 单元。例： 对Diels-Alder反应，双烯烃为合成子，而加成产物环 己烯则为该转换的反合成子。 对Robinson反应，产物为反合成子
+ O O
Base O Robinson Rxn
合成树(tree)
O
O
dis
O O
O
O
O
dis +
O
O
五元环
O O
dis
EtO2C O EtO2C
+
EtO2C
CO2Et
O -
O
dis
EtO2C
+
CH2CO2Et
O
CH3CH2COCH2CO2Et
ClCH2CO2Et
dis
O CHO O
CHO
FGI
CHO
dis
-
CH2Br
六元环
CO2CH3 CO2CH3 CO2CH3 CO2CH3 OH+
杂原子的交换
RCl RCH2X RCHO RCOCl R-M (M= Li, MgCl, Cu) RCH=PPh3 S S R
RCO-Fe(CO)4
杂原子的引入
O
OM
逆合成分析法与合成路线设计
第 6 章 逆合成分析法与合成路线设计20世纪60年代，Corey 在总结前人和他自己成功合成多种复杂有机分子的基础上，提出了合成路线设计与逻辑推理方法。
创立了由合成目标逆推到合成用起始原料的方法—逆合成分析法。
该方法现在已成为合成有机化合物特别是对复杂分子的合成具有独特体系的有效方法。
6.1 逆合成分析法6.1.1 逆合成分析法概念有机合成是利用一种或数种结构简单的原料经一步或数步有机化学反应得到既定目标产物的过程，可表示如下：逆合成分析法是将合成目标经过多种逆合成操作转变成结构简单的前体，在将前体按同样方法进行简化，反复进行直到得出与市售原料结构相同为止，可表示如下：图6-1 多路线逆合成分析示意图1．合成子原料反应反应( 产物 )目标分子官能团转换另外的目标分子逆合成转变前体(合成子)逆合成转变前体的前体原料目 标 分 子A D EF BG HK JCO L M N多路线逆合成分析示意图Corey 的定义:合成子是指分子中可由相应的合成操作生成该分子或用反向操作使其降解的结构单元。
一个合成子可以大到接近整个分子，也可以小到只含一个氢原子。
分子的合成子数量和种类越多，问题就越复杂。
例如：在这些结构单元中，只有(d)和(e)是有效的，叫有效合成子。
因为(d)可以修饰为C 6H 5COC-HCOOCH 3，(e)可以修饰为 。
识别这些有效合成子特别重要，因其与分子骨架的形成有直接关系。
而识别的依据是有关合成的知识和反应，也就是说有效合成子的产生必须以某种合成的知识和反应为依据。
亲电体和亲核体相互作用可以形成碳-碳键、碳-杂键与环状结构等，从而建立起分子骨架。
例如：若将上述反应中的亲电体、亲核体提出来，反应简化为2CH 2COOCH 3C 6H 5COCHCOOCH 3(a) C 6H 5 (b) C 6H 5CO (c) COOCH 3 (d) C 6H 5COCHCOOCH 3 (g) OCH 3CH 3OCOCH 2CH 23(e) CH 2CH 2COOCH 3(f)C M +CX CC+MX+C MgX OCC OHCOOEtC OEt OOCOOEtC +CCC：C OC +C O ：C O OCH 2CH 2COOCH 3再将上述式子反向，便得到将目标分子简化为亲电体、亲核体基本结构单元的方法，从而也就产生了相应的合成子。
合成子
d0: 也可能在C之前，官能团（FG）或杂原子X0有活性，就是d0合成子
相似地，也有因极性转换使碳原子有受电子能力而形成活 性中心的，受电子合成子就合成子
思考：
CH3Li
CH3- + Li+ 中， CH3-属于哪一类合成子？
CH3Li中不含有任何官能团，在反应中只起到烷基化的作 用，因此，我们把这种合成子称为烷基d合成子。 由于烷基 d合成子在反应中只起到烷基化的作用，因此， 产物不会增加官能团。
（三）d3合成子
H2C O
等效试剂制备
CH2 OSiR3
t-BuLi
H2C OSiR3
CH2
COOR
等效试剂制备
COOR
COOR
t-BuOK
COOR
COOR
HO
OR
（四）＞3的dn合成子
如果参与反应的官能团和不参与反应的官能团相隔较远，大多数情 况互相不起作用，不再形成一个整体。例如：
O O
(1)KH-H2,THF (2)t-BuLi,TMEDA
R X R + Nu X R Nu MgX R E
RMgX
R
+ E
像这种，卤代烷分解时产生R+离子，而通过格式剂再分解时， 烷基就成了负离子。这就叫极性转换。 有了极性转换，同一基团既可以成为正离子也可以成负离子， 这就扩大了可能进行的有机合成的范围。
O
O
O
+
H3COC
CH3C
极性转换： 途径：
O
O
CH3C
CH3C
如何选用A和B？ 选用亲核能力强的B，利于第一步的反应；选择离去能力 强的A，利于对后一步的反应。 具体合成路线：
第六章 逆合成分析与合成路线设计
Me Me Me MeMgI Me OH Me O
FGI
Me
+
a' b'
MeMgI OH
CHO
a dis
Me
+
a' b'
OH CH3COH CH3CHO MgBr
a
b OH
+
dis b
Me
OH
O Me Me MgBr
FGI
+
Me
Br FGI
OH
disb的逆合成路线比disa短，原料易得，相应合成路线为：
CH3
CH3
CH3
CH3 + CH3
O
dis
CH3
COOH
FGA
CH3 H COOH
O O CH3 O
CH3
CH3 + CH3 CH3 O
O O O
无水AlCl3
CH3 O
W-K还原
CH3
H3PO4
CH3
CH3I Me3CO
CH3
CO2H
CH3 CH3
CO2H
CH3 O CH3 CH3
CH3 OH CH3
连接Con (connection);切断dis (disconnection);重排rearr(rearrangement);
官能团互变FGI (function group interconversion);
官能团引入FGA(function group addition); 官能团除去FGR (function group removal)
6.1 逆合成分析法
6.1.1 逆合成分析法概念
◆传统有机合成过程：
FGI
Me
+
a' b'
MeMgI OH
CHO
a dis
Me
+
a' b'
OH CH3COH CH3CHO MgBr
a
b OH
+
dis b
Me
OH
O Me Me MgBr
FGI
+
Me
Br FGI
OH
disb的逆合成路线比disa短，原料易得，相应合成路线为：
CH3
CH3
CH3
CH3 + CH3
O
dis
CH3
COOH
FGA
CH3 H COOH
O O CH3 O
CH3
CH3 + CH3 CH3 O
O O O
无水AlCl3
CH3 O
W-K还原
CH3
H3PO4
CH3
CH3I Me3CO
CH3
CO2H
CH3 CH3
CO2H
CH3 O CH3 CH3
CH3 OH CH3
连接Con (connection);切断dis (disconnection);重排rearr(rearrangement);
官能团互变FGI (function group interconversion);
官能团引入FGA(function group addition); 官能团除去FGR (function group removal)
6.1 逆合成分析法
6.1.1 逆合成分析法概念
◆传统有机合成过程：
有机合成中的合成子
例1：苯基与氧处于交叉构象的位置
位阻小
O S O
大 S
CH3
O S
S
CH3
S
CH3
S
M eLi (T H F ,-5 0 o C )
Li
中
H
小
+
H
H
H
Li
S
Ph Ph Ph
R (S , S ) 94% (R , S ) 6%
(S )-(+ )苄 基 ， 甲 基 亚 砜
例2 叔丁基和苯处于对位。去质子发生在亚甲基上位阻最小 的部位。
空间位阻大的碱:
(CH3)3C OK
(CH3CH )2 NLi CH3
KOBut
特丁醇钾
(LDA)
二异丙基氨化锂
Me3Si Me3Si
N Li
双（三甲硅烷基）氨化锂
H2N
NH K
KAPA
3-氨基丙氨钠
O Li
1,1-二（三甲基硅烷基）-3-甲基丁醇锂
SiMe3 SiMe3
N M e2
CH2
CH
d
COOR
C C
2 3
COOR
H C C COOR
LDA
Li
C C COOR
1
O
ButLi
OSiR3
d
OSiR3
三、接受电子合成子及等效试剂
等效试剂
a
R
R X
(X= Cl, Br,I, OTs, OMe3 等）
烷基合成子
M e 3S X
硫鎓盐
M e3O B F4
R A lC l 4
(F rie d e l-C ra fts 烷 基 化 ）
合成子与极性转换
合成子
不饱和吸电子基团影响α-碳上碳氢键的活化
a合成子，产物无官能团。
合成子的加合——a合成子与d合成子的反应
烷基a + 烷基d：
CH3Li
+ (CH3)3SBr
(a)
CH3CH3
+
(CH3)2S +
LiBr
(d)
产物为无官能团化合物。
a1 + d1：
R H OH OH
[H]
+
HCN
R
CN
H
R
NH2
(a1)
(d1)
产物为1,2-双官能团化合物。
反应机理：
因此：
CN
HO
C
-
O
是
的等价物
Example 2:二噻烷碳负离子的形成
醛（如乙醛）可以和1,3-丙二硫醇形成二噻烷。由 于硫对碳负离子具有特殊的稳定性，故邻位的碳有
酸性，用正丁基锂在低温四氢呋喃中处理，得到相
应的亲核性碳负离子。该锂化的碳负离子作为亲核 试剂，可以和卤代烃（溴化苄）、其他羰基化合物 （环己酮）以及环氧乙烷衍生物（苯基环氧乙烷） 等合成子发生亲核取代，生成的产物水解，又得回
的等价物。
合成子极性转换的具体应用
Example 1:安息香缩合反应
安息香缩合是羰基极性转换的代表，也是人们最早知道的极性转 换的例子。反应物苯甲醛中的羰基碳原子是亲电性的。首先发生 氰离子对羰基碳的亲核加成，然后质子由碳转移到氧上，形成一 个碳负离子，其中的碳发生了极性转换，是亲核性的。然后该碳 原子亲核进攻另一分子的苯甲醛的亲电性羰基碳，质子转移，氰 离子离去，得到产物安息香。
O H 3C H O
不饱和吸电子基团影响α-碳上碳氢键的活化
a合成子，产物无官能团。
合成子的加合——a合成子与d合成子的反应
烷基a + 烷基d：
CH3Li
+ (CH3)3SBr
(a)
CH3CH3
+
(CH3)2S +
LiBr
(d)
产物为无官能团化合物。
a1 + d1：
R H OH OH
[H]
+
HCN
R
CN
H
R
NH2
(a1)
(d1)
产物为1,2-双官能团化合物。
反应机理：
因此：
CN
HO
C
-
O
是
的等价物
Example 2:二噻烷碳负离子的形成
醛（如乙醛）可以和1,3-丙二硫醇形成二噻烷。由 于硫对碳负离子具有特殊的稳定性，故邻位的碳有
酸性，用正丁基锂在低温四氢呋喃中处理，得到相
应的亲核性碳负离子。该锂化的碳负离子作为亲核 试剂，可以和卤代烃（溴化苄）、其他羰基化合物 （环己酮）以及环氧乙烷衍生物（苯基环氧乙烷） 等合成子发生亲核取代，生成的产物水解，又得回
的等价物。
合成子极性转换的具体应用
Example 1:安息香缩合反应
安息香缩合是羰基极性转换的代表，也是人们最早知道的极性转 换的例子。反应物苯甲醛中的羰基碳原子是亲电性的。首先发生 氰离子对羰基碳的亲核加成，然后质子由碳转移到氧上，形成一 个碳负离子，其中的碳发生了极性转换，是亲核性的。然后该碳 原子亲核进攻另一分子的苯甲醛的亲电性羰基碳，质子转移，氰 离子离去，得到产物安息香。
O H 3C H O
合成子与极性转换
30
5.3 合成子的分类和加合
d 合成子
试剂 d0 CH3SH d1 KCN d2 CH3CH=O d3 (Li)C≡CCH2NH2 负离子 CH3S-(杂原子硫有活性) 合成子 官能团 d0合成子 -C-S-
CN-（杂原子N使C1活化） d1合成子 -CN
-CH CHO（α-C原子活化）d2合成子 2 -C≡CCH NH 2 2
5.3.1 合成子的分类
极性转换中的合成子可分为： 1. 供电子合成子（以d代表）； 2. 受电子合成子（以a代表）两大类。
27
5.3 合成子的分类和加合
见下列有机分子的基本结构：
X0 1
2 4 5 3 FG
FG: 官能团； X0表示促使分子发生极性转换的金属原子或杂原子（Li, Mg等，或-O,-N,-S等）。
24
5.2 合成子极性转换的具体应用
O SH SH S S H Li THF, -40 oC O S C S Br O H CHCl3 HCl(g)
S
S
S OH
S OH
S
S
O
O OH OH
25
O
5.2 合成子极性转换的具体应用
这里：
S S
O
相当于
也是酰基负离子的等价物。
26
5.3 合成子的分类和加合
33
5.3 合成子的分类和加合
（2）烷基a合成子
如二甲硫醚与溴甲烷的加成物能起下列离子化反应：
(CH3)3SBr
(CH3)3S
+ Br
此正离子在反应中，由于甲基被活化成Me+而起了甲基化 的作用；不是a1合成子，而是烷基a合成子，产物无官能 团。
逆向合成分析及其应用
连有醛基、酮基、 连有醛基、酮基、酯基和氰基的甲基或亚 甲基化合物， 具有相当强的酸性， 甲基化合物，因α-C-H具有相当强的酸性，在 具有相当强的酸性 强碱作用下易失去一个质子形成稳定的d 合成 强碱作用下易失去一个质子形成稳定的 2-合成 子。 常用的合成等价体有：RCH2CHO, 常用的合成等价体有： RCH2COPh, RCH2CO2Et, CH2(CO2Et), CH3COCH2CO2Et 和CH2(CN)2等。 常用的强碱主要有：叔丁醇（ 常用的强碱主要有：叔丁醇（pKa≈20）、 ≈ ）、 二异丙基胺锂（ ）、丁基锂 二异丙基胺锂（LDA, pKa≈40）、丁基锂 ≈ ）、 （pKa>40）、氢氧化钠（pKa≈16）、碳酸钾 > ）、氢氧化钠（ ≈ ）、碳酸钾 ）、氢氧化钠 ）、 （pKa≈10）。 ≈ ）。
CN
切断
dis +
CN
连接
CO2 H CO2 H
Con
重排
O
O
Rearr
O
官能团互换 (Functional Group Interconversion, FGI) )
CH2CH2 NH2
FGI
CH2CN
添加(addition)和消除 和消除(removal) 添加 和消除
Ph
FGA CO2 CH3 O
CO2CH3
CO2CH3
合成子的概念
• 合成子可分为给电子 、受电子(a) 合成子可分为给电子(d)、受电子 和中性(r)合成子三类 合成子三类。 和中性 合成子三类。 • 依据合成子所含的官能团距离反映 中心的位置， 中心的位置，合成子又进一步被分 为d0-dn, a0-an, r0-rn。 • 常用的合成子有碳负离子、碳正离 常用的合成子有碳负离子、 子和碳中心自由基。 子和碳中心自由基。
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+
C2H5MgBr
H3+O
R R’
OH
C
C2H5
• 因此，一个稳定的合成子，可以直接起
反应，而一个不稳定的合成子，就需要
用它的稳定的等价物。
6.2 合成子极性转换的具体应用
• Example 1:安息香缩合反应
• 安息香缩合是羰基极性转换的代表，也是人们最早知道的 极性转换的例子。反应物苯甲醛中的羰基碳原子是亲电性
原子上有相反电荷的中性分子。叶立
德在有机化学，尤其是有机合成中有
很多应用。通常地，叶立德可以写成 以下共振式，其中一个共振杂化体具 有双键：
• 实际的电子分布取决分子的具体性质。
• 早在1919年 H.施陶丁格等就发现这类特殊结构的
化合物，1954年E.G.维蒂希等提出维蒂希反应，
参与此反应的磷叶立德通常称为维蒂希试剂。
d合成子
试剂 d0 d1 CH3SH KCN 负离子 CH3S-(杂原子硫有活性) CN-（杂原子N使C1活化）
-CH2CHO（α-C原子活化）
-C≡CCH 2NH2
合成子 d0合成子 d1合成子
官能团 -C-S-CN
d2
CH3CH=O
d2合成子
d3合成子
-CHO
-C≡CCH2NH2
d3 (Li)C≡CCH2NH2
合成子，反应中起甲基化作用；
• 格氏试剂中得到的R-当然是烷基d合成子；
• 注意：它们不是d1合成子，反应中只起烷基
化作用，产物无官能团！
• （2）烷基a合成子
• 如二甲硫醚与溴甲烷的加成物能起下列离 子化反应：
(CH3)3SBr (CH3)3S+
+
Br-
• 此正离子在反应中，由于甲基被活化成Me+
中官能团极性的改变，是有机合成重要概
念之一。
• 此概念首先由德国化学家Dieter Seebach
（迪特尔· 泽巴赫）与美国化学家艾里亚
斯· 詹姆斯· 科里提出，极性转换的英文名称
Umpolung也由德语的Umpolung得来，意为
极性倒转。
• Example:用环己烯酮合成β-乙酰基 环己酮
O
O CH3C -
• 6.1.2 合成子的极性转换 • Example:卤代烷的取代反应
R-X Mg 醚 RMgX RR+
+
Nu
XR-Nu MgX+ R-E 亲电反应 亲核反应
+
E
知识点回顾： • 格氏试剂：一卤代烷与金属镁在绝对乙醚 （无水、无醇的乙醚）中作用生成有机镁化 合物，产物能溶于乙醚，不需分离即可直接 用于各种合成反应，也称为格利雅试剂。
其它定义：
• 1. 在切断时所得到的概念性的分子碎片， 通常为一个正离子或负离子。它们可以是 相应反应中的一个中间体，也可以不是。 • 2. 指可用于有机反应中的合成单位。是与
反应物（称为试剂reagent)对等的。
• 一）合成子是有机合成反应的基本单元
合成反应最普通的表示方式是，一个正
离子和一个负离子键接在一起成为一个分
合物。
• 这里：
S S
相当于
O
也是酰基负离子的等价物。
6.3 合成子的分类和加合
6.3.1 合成子的分类
极性转换中的合成子可分为：
1. 供电子合成子（以d代表）； 2. 受电子合成子（以a代表）两大类。
• 见下列有机分子的基本结构：
X0
1
FG
2
3 4
5
• FG：官能团；
• X0表示促使分子发生极性转换的金属原子
• 醛（如乙醛）可以和1,3-丙二硫醇形成二噻烷。
由于硫对碳负离子具有特殊的稳定性，故邻位的
碳有酸性，用正丁基锂在低温四氢呋喃中处理，
得到相应的亲核性碳负离子。该锂化的碳负离子
作为亲核试剂，可以和卤代烃（溴化苄）、其他 羰基化合物（环己酮）以及环氧乙烷衍生物（苯 基环氧乙烷）等合成子发生亲核取代，生成的产 物水解，又得回羰基，因此产物是另一个羰基化
子：
A负极性离子 （电负性） 电子供应者
+
B+
正极性离子 （电正性） 电子接受者
A—B
产物分子 （中性）
• A-和B+就可以称为“合成子”。
• 二）合成子的有效性
有机分子的拆解通常有多种拆解方法，如：
O Ph
OCH3
OCH3
O
O
有哪些拆解方法？是否合理？
以下拆解方法那些是合理的？
1 O OCH3 OCH3 O 5
• 烃基d合成子大多通过有机金属卤化物制得， 由C-Na，C-Li通过金属交换而得C-M，反应 如下：
THF
Br
+
+
2Li
Li
+
LiBr
Cl
2Li
THF
Li
+
LiCl
请思考如何控制
• 二） d1合成子 • （1）在C1-X0（杂原子）中，碳的电子对 可离域到杂原子上去，就形成较稳定的碳
负离子，即d1合成子。HCN（及钾盐、钠盐）
R R’ C CN OH R R’ C O
+
CN-
+
H+
• 氰基（CN-）是很稳定的负离子，易与羰基 发生亲核加成反应：
R
R’ C O
+
CN-
H+
R
R’ C
OH
CNLeabharlann • 小常识：氰化氢有剧毒，且挥发性较大（沸点 26.5℃），故在羰基化合物与氰化氢加成时，为 了避免直接使用氰化氢，通常是把无机酸加入醛 （酮）和氰化钠水溶液的混合物中，以便HCN一生
第六章
合成子与极性转换
6.1 合成子基本理论
• 6.1.1 合成子的概念 合成子（Corey E.J.）：凡是能用已 知的，或合理的操作连接成分子的结构单 元均称为合成子。
• Synthons are defined as units which can be joined to (organic) molecules by known or conceivable synthetic operations. (E.J.Corey 1967)
O
CH3CO
• 由于CH3CO-是实际不存在的合成子，需要从带正电 的结构体通过极性转换，变成带负电的结构体，但 如何处理？
• 处理方法：
O R-C-X
A与B
OA R-C-X B
OA R-C B
+
X+
OA R-C - + B
O
H+
O
OA C R B
H3+O
O
R C O
• 技术关键：选用什么样的A与B？ • 针对本例：B用-CN，即：
C2H5OCH=CH2
O CH3-CH CN
OC2H5 C-CH3 H
LiNR2
O CH3-C CN
OC2H5 C-CH3 H
H+
O
O
目标分子 CH3CO
• 6.1.3 合成子与稳定性 • 先看下列分子的拆开：
R
R’ C
OH
X
R
R’ C O
+
X-
+
H+
• 这种拆开方法是否可行，要看X-的稳定性。
• 例如：
为何不用酸
O
H
+
NaOH
HCN
OH CH3-CH CN
• 问题：反应机理？
• A用：
OC2H5 -C-CH3 H OH + CH3-CH CN O CH3-CH CN OC2H5 C-CH3 H
C2H5OCH=CH2
• 问题：反应机理？
• 实际合成步骤：
O H
NaOH
+
HCN
OH CH3-CH CN
[H]
+
HCN (d1)
R
CN
H
R
NH2
• 产物为1,2-双官能团化合物。
• a + d2：
O (CH3)3SBr + (a) H3C (d2)
H
O
H
+ (CH3)2S + HBr
• 产物是单官能团化合物。
• a1 + d2：
O
O
OH H
O
H
O
H
+ H3C
(a1) (d2)
分析正误！
• 产物为α，β-不饱和醛，是1，3-双官能 团化合物
而起了甲基化的作用；不是a1合成子，而是
烷基a合成子，产物无官能团。
6.3.2 合成子的加合——a合成子与d合成子的反应
• 烷基a + 烷基d：
CH3Li (d)
+ (CH3)3SBr
(a)
CH3CH3
+ (CH3)2S + LiBr
• 产物为无官能团化合物。
• a1 + d1：
O
R (a1) H OH OH
以及CH3NO2都能在水溶液中生成d1合成子。
H-C≡N
+
OH-
C≡N
C=N
CH3-NO2
+
OH-
O H2C N O H2C= N
O O
+
H2 O
• （2）利用Si，S，P及过渡金属也可生成d1 合成子。
烷基硅叶立德：
R3Si-CH2Cl
+
-LiCl
2Li
R3Si
CH2 Li+