有机前沿讲座

1有机前沿讲座（二）孟祥福2一、有机化学的发展•20世纪的有机化学，从实验方法到基础理论都有了巨大的进展，显示出蓬勃发展的强劲势头和活力。世界上每年合成的近百万个新化合物中约70%以上是有机化合物。其中有些因具有特殊功能而用于材料、能源、医药、生命科学、农业、营养、石油化工、交通、环境科学等与人类生活密切相关的行业中，直接或间接地为人类提供了大量的必需品。与此同时，人们也面对着天然的和合成的大量有机物对生态、环境、人体的影响问题。展望未来，有机化学将使人类优化使用有机物和有机反应过程，有机化学将会得到更迅速的发展。3学科分支•有机化学的迅速发展产生了不少分支学科有机合成(OrganicSynthesis)金属有机(Organometallic)物理有机(Physicalorganic)天然有机(NaturalOrganic)有机催化(OrganicCatalysis)有机分析(OrganicAnalysis)有机功能材料(OrganicFunctionalMaterials)……4有机合成•有机合成——通过一系列有机反应，将易得的、廉价的原料（单质、简单的无机物和有机物）制备成结构复杂的化合物的过程。有机化学中最重要的基础学科之一，它是创造新有机分子的主要手段和工具，发现新反应、新试剂、新方法和新理论是有机合成的创新所在。5•有机合成的目的验证有机物，特别是天然产物的结构。人工合成和生产有实用价值的化合物。进行理论研究：来自理论的启示，如环丁二烯、环辛四烯的合成。验证理论，如环状共轭多烯的合成。研究反应机理和立体化学而设计的有机物的合成。研究有机反应：有机反应的改进和扩展；新型有机反应的发现。6•有机合成与创新精神的培养合成化学是化学学科的核心，是改造世界、创造社会最有利的手段。合成制备化学总是处于科技前沿。1900-2000年的100年间，合成和分离了2285万种化合物，95%以上为有机化合物及其衍生物。有机合成是表现有机化学家非凡创造力的舞台。黄明龙蒋明谦袁翰青邢其毅7•有机合成发展的基础是各类基本合成反应不论合成多么复杂的化合物，其全合成可用逆合成分析法(RetrosynthesisAnalysis)分解为若干基本反应，如加成反应、重排反应等。每个基本反应均有它特殊的反应功能。合成时可以设计和选择不同的起始原料，用不同的基本合成反应，获得同一个复杂有机分子目标物，起到异曲同工的作用，这在现代有机合成中称为“合成艺术”。WoodwardCorey82010诺贝尔化学奖•有机合成中钯催化交叉偶联发展了钯催化交叉偶联，这一化学工具极大地促进了制造复杂化学物质的可能性，比如碳基分子，其复杂性可媲美天然分子。RichardF.HeckEi-ichiNegishiAkiraSuzuki理查德·海克根岸英一铃木章9钯催化交叉偶联反应•钯催化交叉偶联反应是一类用于C-C键形成的重要反应，在有机合成中应用十分广泛。偶联反应(Couplingreaction)，是由两个有机化学单位(moiety)进行某种化学反应而得到一个有机分子的过程。包括格氏试剂(Grinard)与亲电体的反应、锂试剂与亲电体的反应、芳环上的亲电和亲核反应等等。1011钯催化剂•含钯催化剂大多应用于石油化工中的催化加氢和催化氧化等反应过程中，如制备乙醛、吡啶衍生物、乙酸乙烯酯及多种化工产品的反应过程。加氢反应常用钯催化剂，汽车排气净化常以氧化铝载铂、钯或铂-铑-钯为催化剂；硝酸生产氨氧化反应常用含钯的铂网催化剂；松香加氢及歧化用钯/炭催化剂；大连化学物理研究所生产的钯/炭催化剂，上海石油化工总厂生产的钯/炭催化剂和氯化钯催化剂，中科院兰州化物所生产的铂-钯系列DH型脱氢催化剂、CH消氢催化剂和DO型高效脱氧剂等。12金属有机化学•金属有机化学是无机化学和有机化学相互交叉渗透的学科,它的发展打破了传统的有机化学与无机化学的界限,成为一门新兴的学科和当代化学的前沿领域。13•发展50年代初,二茂铁的发现与键型夹心结构的阐明以及ZieglerNatta催化剂使乙烯在温和条件下聚合成功,使金属有机化学的发展出现了一个飞跃。自60年代以来,先后已有8位从事金属有机化学研究的科学家(K.Ziegler,G.Natta,1963年;E.O.Fischer,G.Wilkinson,1973年;W.N.Lipscomb,1976年;H.C.Brown,G.Witting,1979年;H.Taube,1983年)获得了诺贝尔化学奖。80年代初,金属有机化学的研究与合成化学结合,发展成为以合成化学为目标的金属有机化学,即导向有机合成的金属有机化学,简称OMCOS(organometallicchemistrydirectedtowardsorganicsynthesis),为合成化学带来了全新的面貌。90年代以来,化学科学面临新的挑战和机遇,即要发展对人类健康和环境无害的化学——绿色化学,在绿色化学中,对合成化学的要求是反应的原子经济性和高选择性(例如:过渡金属催化的不对称合成),在实现上述要求中,金属有机化学起着十分重要的作用。14•陆熙炎利用金属有机化学的反应来发展有机合成的方法学，现从事二价钯催化的反应及有关基元反应的研究。系统地研究了过渡金属络合物作用下烯丙基C-O杂原子键的断裂规律；发现了炔烃的异构化规律，提出了从炔烃原子经济性地、高产率地制备共轭双烯烃的方法；开创性地研究了炔酸烯丙酯衍生物在过渡金属催化下的环化反应，并研究了成环反应的立体化学，发展了立体选择性地合成自然界中最为广泛存在的、具有多种多样生理活性的天然产物γ-丁内酯的方法，这一方法成为迄今为止合成这类天然产物的最有效、最简便的方法之一；另外，他还研究了亲核试剂对缺电子炔烃的反应，发展了国际上广泛应用的合成（Z）-式烯烃衍生物的方法，以及三价膦催化下的[3＋2]环加成合成环戊烯衍生物的反应等。15•麻生明主要从事联烯及其类似物化学方面的研究；金属参与的联烯化学，包括缺电子联烯的氢卤化反应和官能团化联烯的多组份偶联关环反应；联烯亲电加成反应的立体化学及区域选择性调控；亚烷基环丙烷及环丙烯的选择性C-C键断裂。•沈琪主要研究方向是金属有机化学，包括稀土和过渡金属配合物的合成、结构及其在有机和高分子合成中的应用。稀土定向催化剂的研究；新型轻稀土有机化合物的合成、结构及反应性能；利用迈克尔反应一步简便地合成了官能度高、融熔粘度低的树枝状感光高分子16•金属有机化学在20世纪有机化学中是最活跃的研究领域之一，特别是与有机催化联系在一起。均相催化使有机化学、高分子化学、生命科学及现代化学工业发展到一个新的水平。17•金属有机化学使人们认识到无机化学和有机化学交叉产生的金属有机化学会产生如此巨大的活力和作用；同时还发现许多金属有机化合物在生物体系内有重要的生理功能，如维生素B12，引起了生物学界的关注。VitaminB12istheonlyknownessentialbiomoleculewithastablemetal-carbonbond,thatis,itisanorganometalliccompound.18•含有碳-金属键的化合物种类甚多，至今还有不少元素周期表上的金属元素尚无合成的金属有机化合物。因此，金属有机化合物的合成方法有待进一步研究和深入。1849年就制得乙基锌〔Zn(C2H5)2〕，发现它有极好的反应性能；以后才相继制得含锂、钠、钾、镁、铝、汞、锡等的金属有机化合物。但直到20世纪50年代才发展到主族元素和过渡元素的金属有机化合物。19•金属有机化合物的结构和性能关系是一个很广泛和重要的研究领域。茂金属催化剂，它是烯烃聚合反应的新型催化剂；现在又发现二茂铁可做燃烧催化剂。•应用金属有机化合物作为光学材料、电子材料和医药也是正在开发的领域。在21世纪将会发现更多具有各种特殊功能、可用作功能材料的金属有机化合物。20•金属有机化合物在有机合成的均相催化反应中起着十分重要的作用。在金属有机化合物催化下产生一系列的有机合成反应。各种金属有机化合物的催化活性是不同的，将其应用于有机合成中将会产生各种不同的反应。有机反应催化剂的研制趋势是模拟那些能起催化反应的酶。这些模拟酶的选择性催化剂将在化学合成中呈现日新月异的新局面，故有的诺贝尔化学奖获得者称其为化学酶。21Metal-OrganicFramework(MOF)•金属有机框架(MOF)Crystallinecompoundsconsistingofmetalionsorclusterscoordinatedtooftenrigidorganicmoleculestoformone-,two-,orthree-dimensionalstructuresthatcanbeporous.密度小、比表面积大、气孔率高，并可通过组装来控制框架物的结构和孔径的大小，是一种具有发展前景的新型储氢材料.2223物理有机化学•物理有机化学研究有机分子结构与性能的关系，研究有机化学反应机理及用理论计算化学的方法来理解、预见和发现新的有机化学现象。•对有机分子结构与性能的关系以及对有机化学反应机理的研究，是希望从实验数据中找到其内在的规律，并提高到理论化学的高度来理解和认识。24•分子结构测定目前，有机化合物结构测定所用的波谱(紫外、红外、核磁共振、质谱)和X-射线单晶结构分析等已经能测定大多数有机分子的结构，但对于结构很复杂的生物大分子或存在量极微的有机化合物结构的测定尚有待于分析仪器设备的不断发展。800兆核磁共振仪新型显微镜•测定它们的一级结构以及二、三级结构，了解分子在空间的排列以及分子-分子体系是如何组合的。这是物理有机化学研究的基础工作，只有了解清楚分子结构，才有可能联系其性能，研究结构与性质的关系。25•反应机理随着对反应过渡态及反应活性中间体的研究和确证，往往一个有机化学反应将不单纯是某一类反应机理，而是涉及多类有机反应历程，如自由基反应会涉及电子转移反应。现有的研究进展表明，对任何一个有机化学反应历程，最终必须搞清楚反应过程中原子和分子的碰撞及重组情况，不同反应步骤的速率及反应中能态和相关能量。因此在研究有机反应机理中发现新的反应机理是一个方面，而搞清楚已知反应历程的速率、能量也是控制有机化学反应的一个重要方面。26•分子间的弱相互作用分子间的弱相互作用决定参与反应的分子间的识别，因而决定反应的选择性；它还决定分子间的聚集方式。研究分子间弱相互作用及其后果是十分重要的。27天然有机化学•天然有机化学是研究来自自然界动植物的内源性有机化合物的化学。•发掘和认识自然界的这一丰富资源是世界发展和人类生存的需要，是有机化学主要研究任务之一，也是认识世界的基础研究。•从事天然产物化学研究的目的是希望发现有生理活性的有效成分，或是直接用于临床药物和用于农业作为增产剂和农药，或是发现有效成分的主结构作为先导化合物，进一步研究其各种衍生物，从而发展成一类新药、新农药和植物生长调节剂等。•对于自然界的天然产物，有机化学家和药物化学家长期以来一直对它具有广泛的兴趣，并从中已经获得了许多新药和先导化合物。28生命有机化学•有机化学的一个重要发展方向，强调化学与生命科学的结合，研究生命活动中化学过程及问题和有机分子与生命大分子之间的相互作用研究。•生命有机化学的主要研究对象是核酸、蛋白质和多糖三种主要生物大分子及参与生命过程的其他有机化合物分子。它们是维持生命机器正常运转的最重要的基础物质。29•E．Fischer对碳水化合物立体化学和“锁钥学说”，为当今生物分子之间相互识别、相互作用和有机分子自组装这些前沿领域奠定了基石；•LPauling在上世纪50年代初建立的多肽构象，为当今蛋白质结构功能研究、蛋白质全新设计奠定了基础；•B．Merrifield在上世纪60年代发明了多肽固相合成法，此法使得长片段肽的化学合成，以及上世纪70年代后期长片段寡核苷酸的化学合成