《分子與有機合成》課件

分子與有機合成課程概述課程目標(biāo)掌握分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論主要內(nèi)容學(xué)習(xí)有機合成反應(yīng)及應(yīng)用學(xué)習(xí)方法第一章：分子的基本概念原子結(jié)構(gòu)基本粒子組成單元分子形成原子通過化學(xué)鍵結(jié)合復(fù)雜結(jié)構(gòu)1.1原子與分子原子結(jié)構(gòu)由原子核與電子組成分子定義原子通過化學(xué)鍵結(jié)合形成的微粒分子與化合物的區(qū)別1.2分子的化學(xué)鍵共價鍵原子間共享電子對形成的化學(xué)鍵離子鍵正負離子間靜電引力形成的化學(xué)鍵金屬鍵金屬原子間共用自由電子形成的化學(xué)鍵氫鍵氫原子參與形成的特殊分子間作用力1.3分子的空間結(jié)構(gòu)立體分子四面體、八面體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)平面分子原子排列在同一平面上線性分子原子沿直線排列1.4分子的極性極性分子電荷分布不均勻具有偶極矩例如：水、氨、醇類非極性分子電荷分布均勻無偶極矩例如：氫氣、氮氣、大多數(shù)烷烴影響因素原子電負性差異分子幾何構(gòu)型對稱性1.5分子間作用力范德華力普遍存在的微弱作用力偶極-偶極作用極性分子間的靜電引力π-π堆積芳香環(huán)系統(tǒng)間的特殊相互作用第二章：有機化合物的基本類型烴類只含碳氫元素含氧化合物醇、醛、酮、酸等含氮化合物胺、酰胺等雜環(huán)化合物含環(huán)上雜原子2.1烷烴結(jié)構(gòu)特點C-C單鍵構(gòu)成的鏈狀或環(huán)狀碳氫化合物命名規(guī)則基于碳原子數(shù)量的系統(tǒng)命名法物理性質(zhì)熔沸點隨碳鏈增長而升高2.2烯烴和炔烴不飽和鍵特性含C=C雙鍵或C≡C三鍵命名規(guī)則以-烯和-炔作為后綴幾何異構(gòu)體順式和反式構(gòu)型2.3芳香烴苯環(huán)結(jié)構(gòu)六元環(huán)具有特殊穩(wěn)定性芳香性大π電子云分布帶來獨特穩(wěn)定性取代基效應(yīng)影響苯環(huán)電子密度分布2.4醇、醚和酚醇類含羥基(-OH)的化合物醚類含R-O-R'結(jié)構(gòu)的化合物酚類羥基直接連接在芳環(huán)上的化合物2.5醛和酮羰基結(jié)構(gòu)C=O雙鍵作為特征基團sp2雜化碳原子命名規(guī)則醛類：-醛(-al)作后綴酮類：-酮(-one)作后綴主要反應(yīng)親核加成縮合反應(yīng)氧化還原反應(yīng)2.6羧酸及其衍生物2.7胺類化合物氨基結(jié)構(gòu)含氮原子的有機化合物堿性特點氮原子上孤對電子賦予堿性生物學(xué)意義氨基酸、神經(jīng)遞質(zhì)的重要組成部分第三章：有機合成的基本原理5基本反應(yīng)類型掌握核心反應(yīng)機理7關(guān)鍵策略逆合成分析為核心3選擇性問題控制反應(yīng)方向和立體構(gòu)型3.1有機合成的定義和意義定義通過化學(xué)反應(yīng)構(gòu)建有機分子從簡單前體到復(fù)雜目標(biāo)分子應(yīng)用領(lǐng)域藥物開發(fā)材料科學(xué)農(nóng)業(yè)化學(xué)品技術(shù)進步催化技術(shù)革新綠色合成方法自動化和人工智能3.2逆合成分析Corey的貢獻系統(tǒng)化逆合成分析方法開創(chuàng)者斷鍵分析識別關(guān)鍵化學(xué)鍵并向后推導(dǎo)合成樹構(gòu)建評估多條可能路線3.3合成路線設(shè)計線性合成逐步構(gòu)建分子骨架收斂性合成同時構(gòu)建多個片段后連接計算機輔助設(shè)計軟件預(yù)測最佳合成路線3.4反應(yīng)類型取代反應(yīng)原子或基團被替換加成反應(yīng)在不飽和鍵上添加基團消除反應(yīng)分子失去小分子形成不飽和鍵重排反應(yīng)分子骨架結(jié)構(gòu)重組3.5選擇性問題化學(xué)選擇性在多個反應(yīng)位點間選擇性反應(yīng)區(qū)域選擇性在不對等位點間選擇性反應(yīng)立體選擇性控制生成物的空間構(gòu)型第四章：常用有機合成方法形成化學(xué)鍵碳骨架構(gòu)建核心方法官能團轉(zhuǎn)化改變分子活性位點保護策略臨時屏蔽活性基團催化反應(yīng)提高反應(yīng)效率與選擇性4.1碳-碳鍵形成反應(yīng)Grignard反應(yīng)有機鎂試劑與親電試劑的反應(yīng)Aldol縮合碳負離子與羰基化合物反應(yīng)Diels-Alder反應(yīng)共軛二烯與烯烴的環(huán)加成反應(yīng)4.2氧化還原反應(yīng)氧化劑CrO?/H?SO?KMnO?NaIO?DMSO/活化劑還原劑NaBH?LiAlH?H?/催化劑Zn/HCl選擇性控制溫度溶劑催化劑立體環(huán)境4.3保護基化學(xué)理想保護基易引入易脫除高選擇性常用保護基羥基、氨基、羰基保護保護策略復(fù)雜分子合成的關(guān)鍵步驟4.4金屬催化反應(yīng)鈀催化Suzuki、Heck、Sonogashira偶聯(lián)2銅催化Ullmann反應(yīng)、Click化學(xué)3金催化炔烴活化、環(huán)化反應(yīng)4.5不對稱合成手性概念可疊加鏡像關(guān)系不對稱催化手性催化劑控制立體構(gòu)型立體選擇性優(yōu)先形成特定構(gòu)型產(chǎn)物第五章：綠色有機合成環(huán)保理念減少廢棄物和有毒物質(zhì)節(jié)能工藝降低能耗和資源消耗可持續(xù)方法可再生資源和催化技術(shù)5.1綠色化學(xué)原理預(yù)防為主防止污染優(yōu)于治理1原子經(jīng)濟性反應(yīng)物原子最大化利用2安全化學(xué)品降低毒性和環(huán)境危害3可再生資源利用生物質(zhì)代替石油4催化優(yōu)先選擇性催化代替計量試劑55.2環(huán)境友好型反應(yīng)1水相反應(yīng)水作為綠色反應(yīng)介質(zhì)2無溶劑反應(yīng)機械研磨或熔融狀態(tài)反應(yīng)3離子液體可回收利用的綠色反應(yīng)介質(zhì)4微波輔助合成加速反應(yīng)降低能耗5.3可再生資源利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化纖維素轉(zhuǎn)化為平臺化合物木質(zhì)素降解利用植物油轉(zhuǎn)化為生物燃料CO?固定CO?加氫制甲醇CO?環(huán)加成反應(yīng)電化學(xué)轉(zhuǎn)化CO?未來方向整合生物和化學(xué)催化人工光合作用碳循環(huán)經(jīng)濟5.4生物催化酶催化優(yōu)勢高選擇性和溫和條件常用酶類脂肪酶、轉(zhuǎn)氨酶、還原酶全細胞催化利用微生物進行復(fù)雜轉(zhuǎn)化5.5流動化學(xué)連續(xù)流動反應(yīng)反應(yīng)物持續(xù)流經(jīng)反應(yīng)器微反應(yīng)器微通道提高傳質(zhì)和傳熱效率工業(yè)應(yīng)用批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)向連續(xù)生產(chǎn)第六章：天然產(chǎn)物全合成合成挑戰(zhàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和立體化學(xué)學(xué)術(shù)價值驗證結(jié)構(gòu)和開發(fā)新方法藥物應(yīng)用開發(fā)新型藥物和類似物6.1天然產(chǎn)物合成的意義結(jié)構(gòu)確證通過合成驗證復(fù)雜天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)生物活性研究結(jié)構(gòu)與活性的關(guān)系方法學(xué)發(fā)展推動新合成方法的創(chuàng)新6.2經(jīng)典天然產(chǎn)物合成案例青蒿素全合成含過氧橋結(jié)構(gòu)的抗瘧藥Schmid和Hofheinz首次全合成Zhu和Cook的高效合成紫杉醇全合成復(fù)雜多環(huán)抗癌藥物Holton和Nicolaou團隊全合成高度官能化的四環(huán)骨架6.3天然產(chǎn)物合成策略生物合成啟發(fā)模仿自然界合成路徑骨架構(gòu)建關(guān)鍵環(huán)化反應(yīng)形成核心結(jié)構(gòu)官能團裝飾選擇性引入復(fù)雜取代基立體化學(xué)控制精確設(shè)置多個手性中心6.4復(fù)雜分子骨架構(gòu)建環(huán)化反應(yīng)構(gòu)建環(huán)狀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵方法串聯(lián)反應(yīng)一步形成多個鍵的高效策略多組分反應(yīng)同時引入多個片段的方法6.5立體化學(xué)控制1手性輔基法臨時引入手性輔助基團2不對稱催化手性催化劑控制立體選擇性3動力學(xué)拆分利用反應(yīng)速率差異分離對映體4底物控制利用現(xiàn)有手性中心誘導(dǎo)新手性第七章：藥物分子設(shè)計與合成7.1藥物設(shè)計基本原理先導(dǎo)化合物具有初步活性的起始分子構(gòu)效關(guān)系分子結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)聯(lián)分子對接預(yù)測藥物與靶點的結(jié)合模式7.2常見藥物骨架合成雜環(huán)化合物含N、O、S原子的環(huán)狀化合物多肽由氨基酸連接形成的生物分子糖類碳水化合物的精準(zhǔn)合成雜萜類含氮氧原子的萜類衍生物7.3組合化學(xué)組合庫構(gòu)建系統(tǒng)生成大量結(jié)構(gòu)類似物固相合成在固體載體上進行多步反應(yīng)高通量篩選快速評估大量化合物活性7.4生物電子等排體經(jīng)典等排體-F與-H-NH與-O-COOH與-SO?H非經(jīng)典等排體環(huán)狀結(jié)構(gòu)雜環(huán)替換環(huán)張力改變應(yīng)用策略提高穩(wěn)定性改善選擇性優(yōu)化藥代動力學(xué)7.5前藥設(shè)計1前藥概念體內(nèi)轉(zhuǎn)化為活性藥物的化合物2常用策略酯化、磷酸化、糖基化優(yōu)勢提高溶解性、穩(wěn)定性和靶向性第八章：功能材料分子設(shè)計與合成3關(guān)鍵領(lǐng)域光電材料、傳感材料、能源材料5設(shè)計原則結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系導(dǎo)向9應(yīng)用產(chǎn)品顯示器、太陽能電池、傳感器8.1有機光電材料OLED材料發(fā)光層、電子傳輸層、空穴傳輸層有機太陽能電池電子給體-受體體系高分子發(fā)光材料共軛聚合物發(fā)光效率8.2有機場效應(yīng)晶體管材料p型半導(dǎo)體以空穴為載流子的有機材料1n型半導(dǎo)體以電子為載流子的有機材料2兩性半導(dǎo)體可雙極性傳輸?shù)挠袡C材料38.3有機傳感材料熒光傳感分子識別引起熒光變化金屬離子檢測生物分子識別電化學(xué)傳感氧化還原特性變化電導(dǎo)率響應(yīng)電位變化檢測色度傳感肉眼可見顏色變化pH指示劑氣體檢測試紙8.4有機多孔材料COF材料共價有機骨架，輕質(zhì)高孔隙率MOF材料金屬-有機骨架，高比表面積應(yīng)用前景氣體分離、催化、能源存儲8.5智能響應(yīng)材料熱致變色材料溫度變化引起顏色變化光致變色材料光照引起可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變電致變色材料電場引起光學(xué)性質(zhì)變化pH響應(yīng)材料酸堿環(huán)境觸發(fā)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變第九章：有機合成的現(xiàn)代技術(shù)9.1高通量合成技術(shù)平行合成同時進行多個反應(yīng)自動化平臺機器人系統(tǒng)執(zhí)行反應(yīng)操作快速分析在線監(jiān)測和高效表征9.2微反應(yīng)技術(shù)微流控反應(yīng)器微通道內(nèi)的精確控制反應(yīng)液滴微反應(yīng)器液滴作為獨立微型反應(yīng)容器優(yōu)勢特點高效傳熱傳質(zhì)，精確控制規(guī)模放大并聯(lián)多個微反應(yīng)器實現(xiàn)工業(yè)化9.3光化學(xué)反應(yīng)可見光催化利用光敏劑活化有機分子光引發(fā)自由基生成高活性中間體優(yōu)勢特點溫和條件，高選擇性綠色特性清潔能源驅(qū)動的化學(xué)轉(zhuǎn)化9.4電化學(xué)合成電子驅(qū)動反應(yīng)直接利用電子作為試劑2電化學(xué)氧化還原陽極氧化和陰極還原綠色化學(xué)優(yōu)勢避免使用化學(xué)氧化還原劑9.5人工智能輔助合成機器學(xué)習(xí)預(yù)測預(yù)測反應(yīng)結(jié)果和選擇性自動路線規(guī)劃算法設(shè)計最優(yōu)合成路線自動化執(zhí)行機器人系統(tǒng)完成實驗操作總結(jié)與展望課程回顧分子結(jié)