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
有机化学结构与功能学习笔记第一部分
基础有机化学-----------------------------------------------------预备知识-----------------------------------------------------一. 原子结构1. 波尔理论对氢原子光谱的解释：氢原子在正常状态总是处于能量最低的基态，在受到光照射或放电等作用时，吸收能量，原子中的电子跳到能量较高的激发态。
但在激发态不稳定，回到低能量轨道时放出能量产生与能量对应的光，从而产生光谱。
hv E =∆。
2. 四个量子数：（1）主量子数n ：n 为不同的电子层层数。
（2）角量子数l ：同一电子层还可以分为不同的亚层，对应于n ，l =0~1-n 。
其中当0=l 时，为s 电子，1=l ，为p 电子，以此类推…（3）磁量子数m ：用来描述同一亚层原子轨道和电子云的方向。
它受到l 的影响，当0=l 时，0=m ；1=l 时，1-=m 、0、1+，即p 电子有3种空间取向，分别为x p 、y p 、z p ；当2=l 时，可有五种空间取向，即2z d 、xz d 、yz d 、xy d 、22y x d -。
（4）自旋量子数s m ：电子除绕核运转外，还有自旋运动。
电子自旋量子数只有2个取值，21+和21-，即电子有2个相反的自旋方向。
3. 原子轨道：我们常把电子层、电子亚层和空间取向都确定的运动状态称作原子轨道，即s 层有一个原子轨道，p 层有3个等等。
空间取向不同，并不影响电子的能量，因此同一亚层的几个原子轨道能量完全相同，这样的轨道称为等价轨道或简并轨道。
4. 原子轨道分布图描述的是解薛定谔方程得到的波函数ψ的值，函数值可以为正也可以为负。
形成共价键时要求同号重叠，即对成型匹配原则。
电子云角度分布图全为正。
5. 屏蔽效应：在多电子原子中，电子不但受到原子核的吸引，而且电子和电子之间也存在着排斥作用。
也就是说其余电子屏蔽了或削弱了原子核对该电子的吸引作用。
有机合成 逆合成分析
逆合成分析是一种 逆推法，是通过切 断（剖析）等操作， 从比较复杂的目标 分子推导出简单易 得的起始原料的过 程 LOGO
3
断裂转化和合成子 (Transforms, Synthon)
合成子
断裂转化
由产物推出起 始物的过程， 是合成反应的 逆过程
反合成分析中 进行某一转化 所必须的结构 单元或化合物
4
简化断裂分析的主要目的
1.
将TM变换成 合成上更易制 备的可替代的 目标分子 （Alternative TM） 2. 为了作逆向切 断、连接或重 排等变换，须 将TM中原来不 适用的官能团 变换成所需形 式，或暂时添 加某些必须官 能团。 3. 添加某些活化 基、保护基或 阻断基，以提 高化学区域选 择性或立体选 择性。
逆合成分析是一种逆推法是通过切断剖析等操作从比较复杂的目标分子推导出简单易得的起始原料的过断裂转化和合成子transformssynthon断裂转化由产物推出起始物的过程是合成反应的逆过程合成子反合成分析中进行某一转化所必须的结构单元或化合物添加某些活化基保护基或阻断基以提高化学区域选择性或立体选为了作逆向切断连接或重排等变换须将tm中原来不适用的官能团变换成所需形式或暂时添加某些必须官将tm变换成合成上更易制备的可替代的目标分子alternativetm1
5
合成子及其合成等效体
1.合成子 Synthon 指在逆向合成法中，通过切断化学键而拆 开TM分子后，得到的各个组成结构单元
2.合成等效体 2.合成等效体 能起合成子作用的试剂。 synthetic synthetic equivalent equivalent
6
7
设计中利用的结构因素
1 2 3 分子骨架：连接与重排 官能团：相互转化 立体化学：翻转或转移
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：
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
高中化学竞赛题有机合成
中学化学竞赛试题资源库——有机合成A 组1．6－羰基庚酸是合成某些高分子材料和药物的重要中间体。
某试验室以溴代甲基环己烷为原料合成6－羰基庚酸。
请用合成反应流程图表示出最合理的合成方案（注明反应条件）提示：①合成过程中无机试剂任选，②如有须要，可以利用试卷中出现过的信息，③合成反应流程图表示方法示例如下：2．已知①卤代烃（或－）可以和金属反应生成烃基金属有机化合物。
后者又能和含羰基化合物反应生成醇：＋()−−−→−OH C 252−−→−OCH 22−−−→−+H O H /22 ②有机酸和3反应可以得到羧酸的衍生物酰卤：③苯在3催化下能和卤代烃作用生成烃基苯：有机物A 、B 分子式均为C H O ，和钠反应放出氢气并均可经上述反应合成，但却又不能从羰基化合物干脆加氢还原得到。
A和硫酸并热可得到C和C’，而B得到D和D’。
C、D分子中全部碳原子均可共处于同一平面上，而C’和D’却不行。
请以最基础的石油产品（乙烯、丙烯、丙烷、苯等）并任选无机试剂为原料依下列路途合成B，并给出A、C’、D 的结构简式及下述指定结构简式。
合成B的路途：3．由指定原料及其他必要的无机及有机试剂会成下列化合物：（1）由丙烯合成甘油。
（2）由丙酮合成叔丁醇。
（3）由1－戊醇合成2－戊炔。
（4）由乙炔合成3222223（5）由322合成4．已知苯磺酸在稀硫酸中可以水解而除去磺酸基：又知苯酚和浓硫酸易发生磺化反应：请用化学方程式表示苯、水、溴、铁、浓硫酸及烧碱等为原料，合成的过程。
5．以2＝2和H 218O 为原料，自选必要的其他无机试剂合成3－－18O －C 2H 5，用化学方程式表示实现上述合成最志向的反应步骤。
6．已知甲烷高温下裂解反应的产物随温度不同而不同。
有好用价值的是以下两个反应：4−−−−→−-C o 15001000＋2H 2 24−−→−〉C o15002H 2＋3H 2试以自然气为唯一有机原料合成乙酸甲酯，写出方程式。
第二章 逆合成分析
应的卤代物与活泼金属发生卤素交换反应来制备。
常见的d1合成子等价物主要有CH3NO2、CH3SOCH3、CH3SO2CH3、HCN、 磷叶立德、硫叶立德和硫代缩醛等。
常见的d2合成子合成子等价物主要有RCH2CHO、RCH2COPh、RCH2CO2Et、
CH2(CO2Et)2、CH3COCH2CO2Et和CH2(CN)2等。 常见的d3合成子合成子等价物:
有机合成
第2章
逆合成分析
常见的a3合成子主要有β-羰基正离子，其合成等价体是α,β –不饱和羰基化合物、 α,β –不饱和羧基化合物和α,β –不饱和腈。烯丙基正离子和炔丙基正离子也可以视为a3-
合成子，等价体为3-卤代丙烯、3-卤代丙炔、2-烯丙醇的磺酸酯和2-炔丙醇的磺酸酯。
常见的d合成子 常见的d0合成子主要有烷基负离子、烯基负离子和芳基负离子，它们通常由相
分析
TM
O
O
O
O
+
O O O
+
CH3I
有机合成
第2章
逆合成分析
5、逆推到适当阶段再切断
有些分子不能直接切断，或切断后得到的合成子在正向合成时，无合适 方法将其连接起来。此时，应将TM逆推到某一替代的TM后再切断。
eg. 合成
CH3CH CH2CH2OH OH FGI;Dis
CH3CH OH
+
CH2CH2OH
C-杂键不如C-C键稳定，且在合成时也易形成，合成时，C-杂键放在最后 几步完成，较为有利。一方面避免C-杂键受到早期反应的干扰，另一方面也 可在较温和的条件下连接，避免在后期反应中破坏已引进的官能团。合成中
后期形成的键，在分析时应先切断。
有机合成
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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。
34
5.3 合成子的分类和加合
5.3.2 合成子的加合——a合成子与d合成子的反应
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，又得回羰基，因此产物是另一个羰基化合物。
合成子与极性转换
1
本章教学计划
5.1 关于合成子的基本理论 5.2 合成子极性转化的具体应用 5.3 合成子的分类和加和 5.4 合成子极性转换的方法 5.5 常用的各类极性转换的方法
2
2
5.1 合成子基本理论
5.1.1 合成子的概念
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（Corey E.J.）。
它们可以通过Michael加成反应合成目标物：
O C6H5 COOCH3 + O OCH3
O Michael 反 应 O
8
OCH3 OCH3
C6H5
O
5.1 合成子基本理论
3. 合成子是否一定实际存在
“合成子”是一个人为的，概念化的名词，有别于实 际存在的起反应的离子、自由基或分子。合成子可能是实 际存在的，也可能是一个实际不存在的抽象化的东西。
+ X
O
+
17
5.1 合成子基本理论
技术关键：选用什么样的A与B？
针对本例：B用-CN，即：
为何不用酸
O H
+
HCN
NaOH
OH H3C CH CN
18
5.1 合成子基本理论
A用：
OC2H5 C CH3 H
C2H5OHC CH2
+
OH H3C CH CN
OC2H5 C CH3 O H3C CH H CN
22
5.2 5.2合成子极性转换的具体应用 合成子极性转换的具体应用
反应机理：
O (a) H + CN OH + CN (d) OH OH H O H CN O H CN O CN H O (d) OH OH CN O
O (a) H
因此:
CN HO C
是
23
O
的等价物
5.2 合成子极性转换的具体应用
9
5.1 5.1 合成子基本理论 合成子基本理论
Example 1：
O + O CH3 O Base O CH3
不稳定
O
CH3 O
实际存在的
10
5.1 合成子基本理论
Example 2：用环己烯酮合成β-乙酰基环己酮
O O
H3COC
此时的合成子是CH3CO-，但这是不存在的。合成时，必 须用它的对等物，而等价物是实际存在的。
15
5.1 合成子基本理论
Example: 用环己烯酮合成β-乙酰基环己酮
O O O CH3C H3COC
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。
16
5.1 合成子基本理论
处理方法：
O R C X A与B OA R C X B O OA R C B OA R C B O H AO C R H3 O R B O
-CHO
d3合成子 -C≡CCH2NH2
31
5.3 合成子的分类和加合
a 合成子
试剂 a0 a1 a2 a3 Me2PCl CH3COCH3 BrCH2COCH3 负离子 Me2P +(活化的是P) CH3C+O（羰基被活化）
+CH COCH （α-C原子活化） 2 3
官能团 -PMe2 -CO-CO-COOR,-C=C-
有哪些拆解方法？是否合理？
6
5.1 合成子基本理论
以下拆解方法那些是合理的？
O O C6H5 O OCH3 OCH3
有些碎片是有效的，有些是无效的，合成子是分子拆 开后在有机合成中确实有效的碎片。
7
5.1 合成子基本理论
上述分子中只有下列两个碎片才是有效的：
O C6H5 COOCH3 和 CH2CH2COOCH3 CH2=CH-COOCH3 + H
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”。
5
5.1 合成子基本理论
2. 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 O C6H5 O OCH3 OCH3
a + d2
O (CH3)3SBr + (a) CH3
2 (d )
H H O + (CH3)2S +
HBr
产物是单官能团化合物。 a 1 + d2
O a1 O + CH3 ( ) ( ) d2 H OH O H O H
产物为α,β-不饱和醛，是1,3-双官能团化合物
36
5.3 合成子的分类和加合
a 2 + d2
3
5.1 合成子基本理论
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。
4
5.1 合成子基本理论
1. 合成子是有机合成反应的基本单元
C-Li通过金属交换而得C-M，反应如下：
THF THF
Br Cl
CH3 Li
+ +
2Li 2Li
Li Li
CH 3Li
+ +
LiBr LiCl
+ CuI
[CH3 Cu]
Li+[Cu(CH 3 )2 ]-
39
5.3 合成子的分类和加合
2. 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）以及CH3NO2都能在水溶液中生成d1合成子。
H C N + OH C N
O N O
C N
O H2C N
+
H2O
CH3
NO2 +
OH
H2C
O
+ H2O
40
5.3 合成子的分类和加合
（2）利用Si，S，P及过渡金属也可生成d1合成子。
O COOCH3 + Br
2 (a )
O CO2CH3
(1) NaOH (2) H3O
O CO2H O
2 (d )
a 3 + d2
H + O
3 (a )
产物为1,4-双官能团化合物; a1 + d3和a3 + d1的 产物也都是1,4-双官能团化合物
O ( ) d2
O O
O
产物是1,5-双官能团化合物
11
5.1 合成子基本理论
相关概念：
合成等价物：一种能起合成子作用的试剂。合成子通常由 于其本身不太稳定而不能直接使用。 试剂：实际使用的代表合成子的化合物。例如MeI是合成 子Me+的试剂。它能在相应的的合成中起反应，给出中间 体或目标分子。它是合成子的合成等价物。
12
5.1 合成子基本理论
28
5.3 合成子的分类和加合
碳原子顺序编号C1, C2, C3,…； 如由于极性转换而使C1具有供电子能力而形成活性中心， 就是d1合成子； C2有活性，就是d2合成子，依次类推，给各类合成子编号；