摘要：有機(jī)合成設(shè)計(jì)是有機(jī)合成化學(xué)家對預(yù)先要合成的目標(biāo)化合物進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)和化學(xué)性質(zhì)分析、篩選出適應(yīng)的合成原料和有機(jī)合成的反應(yīng)和方法，從而擬定有機(jī)合成方案。有機(jī)合成設(shè)計(jì)技巧是設(shè)計(jì)者有機(jī)合成設(shè)計(jì)技能的升華。一個理想的、成功的有機(jī)合成設(shè)計(jì)不僅為有機(jī)合成實(shí)踐活動給出了宏偉藍(lán)圖，也給人以美的啟迪。

關(guān)鍵詞：有機(jī)合成；設(shè)計(jì)技巧；合成技巧

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）33-0092-02

有機(jī)合成的發(fā)展是與人們對自然界的認(rèn)識范圍和深度，科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平和一定的社會生產(chǎn)力緊密聯(lián)系在一起的。有機(jī)合成的雛形是古代化學(xué)家用簡單的元素和無機(jī)物為原料，制造為人們生活所用的簡單有機(jī)物。他們也只能靠所得的點(diǎn)滴有機(jī)化學(xué)知識，類比無機(jī)合成類型來完成有機(jī)合成過程。20世紀(jì)以來，隨著天然有機(jī)物化學(xué)知識的迅速增長，元素有機(jī)物的發(fā)現(xiàn)和制備成功，現(xiàn)代分析測試技術(shù)的日新月異，石油化學(xué)工業(yè)的迅速崛起，都促進(jìn)了有機(jī)合成的發(fā)展。隨著有機(jī)合成的原料來源的多樣化，有機(jī)合成范圍的不斷擴(kuò)大，人們不再只希望合成出天然的有機(jī)物小分子，結(jié)構(gòu)特別、功能奇異的輪烯、球芳烴、高分子材料和生物大分子等都成為現(xiàn)代有機(jī)合成的發(fā)展方向。同時(shí)其他學(xué)科的發(fā)展和滲透也使得有機(jī)合成的方法、途徑和實(shí)驗(yàn)技術(shù)有了較大的發(fā)展。這些都形成了近代有機(jī)合成的特點(diǎn)。幾十年來，人們把千百萬次成功的有機(jī)合成經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成有機(jī)合成方法和規(guī)則，反映了有機(jī)合成方法的技巧。有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)是現(xiàn)代有機(jī)合成策略和戰(zhàn)術(shù)的主要方面之一。

有機(jī)合成設(shè)計(jì)是有機(jī)合成化學(xué)家對預(yù)先要合成的目標(biāo)化合物進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)和化學(xué)性質(zhì)分析、篩選出適應(yīng)的合成原料和有機(jī)合成的反應(yīng)和方法，從而擬定有機(jī)合成方案。

無論是人的實(shí)踐活動，還是思維活動，都是不斷從繁到簡、從粗到細(xì)，日益完善的過程。有機(jī)合成設(shè)計(jì)技巧是設(shè)計(jì)者有機(jī)合成設(shè)計(jì)技能的升華。每一個理想的、成功的有機(jī)合成設(shè)計(jì)都是設(shè)計(jì)者銳利的眼光、深邃的洞察力、寬廣的知識、靈敏的直覺、豐富的經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)到的構(gòu)思的綜合體現(xiàn)。它不僅為有機(jī)合成實(shí)踐活動的成功給出了宏偉藍(lán)圖，也給人以美的啟迪。一個精巧的有機(jī)合成設(shè)計(jì)無不使欣賞者感到“洞天異開”、“柳暗花明”之驚奇。

現(xiàn)在我們舉一個合成設(shè)計(jì)的例子來說明有機(jī)合成設(shè)計(jì)技巧在合成實(shí)驗(yàn)中的重要作用。托品是一大類雜環(huán)化合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為圖1。

1902年Willstatter用20余步合成反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了他的全合成圖2。

此后不久，1917年Robinson創(chuàng)造性地利用經(jīng)典的Mannich反應(yīng)，以簡潔的合成方法制備出了托品生物堿。

雖然兩位化學(xué)家在各自發(fā)表的論文中，未說明他們合成設(shè)計(jì)的藝術(shù)思想，但我們沿著兩條合成路線可窺視Willstatter和Robinson合成設(shè)計(jì)的巧與拙、繁與簡、妙與不妙的藝術(shù)技巧。從Willstatter的合成路線來說，他認(rèn)為托品結(jié)構(gòu)是由一個七員碳環(huán)和氮橋鍵組成的雜環(huán)化合物。因此Willstatter認(rèn)為適宜的合成起始原料應(yīng)是七員碳環(huán)化合物和二甲胺。他利用經(jīng)典的加成反應(yīng)、取代反應(yīng)、清除反應(yīng)等20余步合成步驟建立了托品結(jié)構(gòu)。在Willstatter時(shí)代里，他的托品合成法可算是有機(jī)合成史上一個輝煌成就，因?yàn)樗谇盁o古人的情況下完成了托品天然生物堿的全合成工作。Robinson則以他的慧眼金睛認(rèn)為托品結(jié)構(gòu)是一個具有平面對稱性的分子，這個平面經(jīng)過氮原子和羥基可將托品骨架分割成對稱的兩部分。

每部分均由四個亞甲基、兩個甲川基、半個甲基、半個氮原子和半個羥基組成。Robinson又認(rèn)為托品骨架的半邊可由Mannich反應(yīng)建立起來。經(jīng)典的Mannich反應(yīng)是：

若使兩個Mannich反應(yīng)同發(fā)生在一個胺分子和一個酮分子之內(nèi)，那么剛好組成一個托品骨架，這樣一個精巧的托品合成方法雛形就形成了圖3：

但事實(shí)上，丁二酮和丙酮兩個化合物內(nèi)都含有兩個活潑亞甲基和羰基，有可能丁二醛的羰基和丙酮的活潑亞甲基與叔胺發(fā)生意定的Mannich反應(yīng)，也有可能丁二醛的活潑亞甲基和丙酮的羰基與胺發(fā)生非意定的Mannich反應(yīng)。為了避免后一個反應(yīng)的發(fā)生，Robinson又巧妙地對丙酮分子進(jìn)行了化學(xué)修飾，在丙酮的1，3位的甲基上又各連接一個羰基，使丙酮改換為戊酮二羧酸，如此一改，具有兩個方面的意義：首先由于兩個羧基的誘導(dǎo)效應(yīng)，使得戊酮二羧酸2，4位的亞甲基具有更強(qiáng)的化學(xué)活潑性，另一方面兩個羧基都是親水性的，增大了水溶液中丙酮的溶解度，更適合于丁二醛和甲胺與戊二酮酸在水溶液中的均相Mannich反應(yīng)。所以一個精簡而完美的托品合成方法就形成了。

很顯然，Robinson對托品骨架神刀鬼斧地切斷和分折，對合成原料的巧妙修飾，對合成反應(yīng)步驟獨(dú)具匠心的精心設(shè)計(jì)，使得他的合成工作如此絕妙完美，著實(shí)另人回味無窮。

在實(shí)際的有機(jī)合成設(shè)計(jì)過程中，合成設(shè)計(jì)技巧大致可分為三種類型。

首先是合成目標(biāo)化合物的剖析技巧。在現(xiàn)代有機(jī)合成中，逆合成分析法是在有機(jī)合成設(shè)計(jì)中較為普遍使用的方法。對合成目標(biāo)化合物分子結(jié)構(gòu)的碳胳的切斷分析，目標(biāo)化合物分子所帶官能團(tuán)恰如其分地運(yùn)用，都有利于從分析中找出最佳的合成原料和建立碳胳的途徑方法。

其次是設(shè)計(jì)者對選中的合成素材的提煉技巧。有機(jī)化合物是極其豐富的，有機(jī)合成反應(yīng)種類也是繁多的。一個成功的合成設(shè)計(jì)者還必須在對合成目標(biāo)化合物分析的基礎(chǔ)上，對選出的合成原料和有機(jī)合成方法進(jìn)行琢磨、推敲、提煉和構(gòu)思，使得設(shè)計(jì)的合成設(shè)計(jì)方案布局嚴(yán)謹(jǐn)，巧妙精確，既符合有機(jī)合成客觀規(guī)律的真實(shí)性，又使得合成設(shè)計(jì)方案更巧、更新。

最后是合成原料、合成反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的運(yùn)用技巧。一般來說一個目標(biāo)化合物的全合成過程往往要經(jīng)過多步反應(yīng)，運(yùn)用許多試劑才能完成。在合成方案設(shè)計(jì)過程中，合成原料和合成反應(yīng)及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的巧妙安排運(yùn)用，可以充分發(fā)揮其功效。因?yàn)橛袡C(jī)合成反應(yīng)就是合成原料和試劑進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化的過程。在多步的反應(yīng)過程中，前后幾個反應(yīng)過程是否有相抵之處，合成原料分子中所帶基團(tuán)和官能團(tuán)是否能在合成反應(yīng)中運(yùn)用得恰到好處，是否最終能成為目標(biāo)化合物分子的基團(tuán)或官能團(tuán)等，這都取決于合成設(shè)計(jì)中的適當(dāng)布局。另外諸如合成設(shè)計(jì)中合成路線的收斂性可以大大縮短反應(yīng)進(jìn)程。試劑或原料的致活與鈍化，可改變其化學(xué)反應(yīng)性；官能團(tuán)的保護(hù)與去保護(hù)，可免除在合成反應(yīng)中某些化合物所帶官能團(tuán)遭受破壞；原料或試劑及有機(jī)合成反應(yīng)的差異性運(yùn)用，可使合成反應(yīng)的某個既定產(chǎn)物獲得更高的收率，還有其他實(shí)驗(yàn)條件，包括溫度、溶劑、催化劑和壓力等獨(dú)具匠心地運(yùn)用，在有機(jī)合成設(shè)計(jì)中都是至關(guān)重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉飛，黃長干.有機(jī)合成化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：55.

[2]郭書好.有機(jī)化學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：136.

[3]吳世暉.有機(jī)合成[M].北京：高等教育出版社，1986：125-126.

作者簡介：李京昊（1996-），回族，西北民族大學(xué)化工學(xué)院在讀。