有机合成设计的艺术技巧

摘要：有机合成设计是有机合成化学家对预先要合成的目标化合物进行化学结构、官能团和化学性质分析、筛选出适应的合成原料和有机合成的反应和方法，从而拟定有机合成方案。有机合成设计技巧是设计者有机合成设计技能的升华。一个理想的、成功的有机合成设计不仅为有机合成实践活动给出了宏伟蓝图，也给人以美的启迪。

关键词：有机合成；设计技巧；合成技巧

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）33-0092-02

有机合成的发展是与人们对自然界的认识范围和深度，科学技术发展水平和一定的社会生产力紧密联系在一起的。有机合成的雏形是古代化学家用简单的元素和无机物为原料，制造为人们生活所用的简单有机物。他们也只能靠所得的点滴有机化学知识，类比无机合成类型来完成有机合成过程。20世纪以来，随着天然有机物化学知识的迅速增长，元素有机物的发现和制备成功，现代分析测试技术的日新月异，石油化学工业的迅速崛起，都促进了有机合成的发展。随着有机合成的原料来源的多样化，有机合成范围的不断扩大，人们不再只希望合成出天然的有机物小分子，结构特别、功能奇异的轮烯、球芳烃、高分子材料和生物大分子等都成为现代有机合成的发展方向。同时其他学科的发展和渗透也使得有机合成的方法、途径和实验技术有了较大的发展。这些都形成了近代有机合成的特点。几十年来，人们把千百万次成功的有机合成经验总结成有机合成方法和规则，反映了有机合成方法的技巧。有机合成路线设计是现代有机合成策略和战术的主要方面之一。

有机合成设计是有机合成化学家对预先要合成的目标化合物进行化学结构、官能团和化学性质分析、筛选出适应的合成原料和有机合成的反应和方法，从而拟定有机合成方案。

无论是人的实践活动，还是思维活动，都是不断从繁到简、从粗到细，日益完善的过程。有机合成设计技巧是设计者有机合成设计技能的升华。每一个理想的、成功的有机合成设计都是设计者锐利的眼光、深邃的洞察力、宽广的知识、灵敏的直觉、丰富的经验和独到的构思的综合体现。它不仅为有机合成实践活动的成功给出了宏伟蓝图，也给人以美的启迪。一个精巧的有机合成设计无不使欣赏者感到“洞天异开”、“柳暗花明”之惊奇。

现在我们举一个合成设计的例子来说明有机合成设计技巧在合成实验中的重要作用。托品是一大类杂环化合物，其化学结构为图1。

1902年Willstatter用20余步合成反应实现了他的全合成图2。

此后不久，1917年Robinson创造性地利用经典的Mannich反应，以简洁的合成方法制备出了托品生物碱。

虽然两位化学家在各自发表的论文中，未说明他们合成设计的艺术思想，但我们沿着两条合成路线可窥视Willstatter和Robinson合成设计的巧与拙、繁与简、妙与不妙的艺术技巧。从Willstatter的合成路线来说，他认为托品结构是由一个七员碳环和氮桥键组成的杂环化合物。因此Willstatter认为适宜的合成起始原料应是七员碳环化合物和二甲胺。他利用经典的加成反应、取代反应、清除反应等20余步合成步骤建立了托品结构。在Willstatter时代里，他的托品合成法可算是有机合成史上一个辉煌成就，因为他在前无古人的情况下完成了托品天然生物碱的全合成工作。Robinson则以他的慧眼金睛认为托品结构是一个具有平面对称性的分子，这个平面经过氮原子和羟基可将托品骨架分割成对称的两部分。

每部分均由四个亚甲基、两个甲川基、半个甲基、半个氮原子和半个羟基组成。Robinson又认为托品骨架的半边可由Mannich反应建立起来。经典的Mannich反应是：

若使两个Mannich反应同发生在一个胺分子和一个酮分子之内，那么刚好组成一个托品骨架，这样一个精巧的托品合成方法雏形就形成了图3：

但事实上，丁二酮和丙酮两个化合物内都含有两个活泼亚甲基和羰基，有可能丁二醛的羰基和丙酮的活泼亚甲基与叔胺发生意定的Mannich反应，也有可能丁二醛的活泼亚甲基和丙酮的羰基与胺发生非意定的Mannich反应。为了避免后一个反应的发生，Robinson又巧妙地对丙酮分子进行了化学修饰，在丙酮的1，3位的甲基上又各连接一个羰基，使丙酮改换为戊酮二羧酸，如此一改，具有两个方面的意义：首先由于两个羧基的诱导效应，使得戊酮二羧酸2，4位的亚甲基具有更强的化学活泼性，另一方面两个羧基都是亲水性的，增大了水溶液中丙酮的溶解度，更适合于丁二醛和甲胺与戊二酮酸在水溶液中的均相Mannich反应。所以一个精简而完美的托品合成方法就形成了。

很显然，Robinson对托品骨架神刀鬼斧地切断和分折，对合成原料的巧妙修饰，对合成反应步骤独具匠心的精心设计，使得他的合成工作如此绝妙完美，着实另人回味无穷。

在实际的有机合成设计过程中，合成设计技巧大致可分为三种类型。

首先是合成目标化合物的剖析技巧。在现代有机合成中，逆合成分析法是在有机合成设计中较为普遍使用的方法。对合成目标化合物分子结构的碳胳的切断分析，目标化合物分子所带官能团恰如其分地运用，都有利于从分析中找出最佳的合成原料和建立碳胳的途径方法。

其次是设计者对选中的合成素材的提炼技巧。有机化合物是极其丰富的，有机合成反应种类也是繁多的。一个成功的合成设计者还必须在对合成目标化合物分析的基础上，对选出的合成原料和有机合成方法进行琢磨、推敲、提炼和构思，使得设计的合成设计方案布局严谨，巧妙精确，既符合有机合成客观规律的真实性，又使得合成设计方案更巧、更新。

最后是合成原料、合成反应和实验技术的运用技巧。一般来说一个目标化合物的全合成过程往往要经过多步反应，运用许多试剂才能完成。在合成方案设计过程中，合成原料和合成反应及实验技术的巧妙安排运用，可以充分发挥其功效。因为有机合成反应就是合成原料和试剂进行化学转化的过程。在多步的反应过程中，前后几个反应过程是否有相抵之处，合成原料分子中所带基团和官能团是否能在合成反应中运用得恰到好处，是否最终能成为目标化合物分子的基团或官能团等，这都取决于合成设计中的适当布局。另外诸如合成设计中合成路线的收敛性可以大大缩短反应进程。试剂或原料的致活与钝化，可改变其化学反应性；官能团的保护与去保护，可免除在合成反应中某些化合物所带官能团遭受破坏；原料或试剂及有机合成反应的差异性运用，可使合成反应的某个既定产物获得更高的收率，还有其他实验条件，包括温度、溶剂、催化剂和压力等独具匠心地运用，在有机合成设计中都是至关重要的。

参考文献：

[1]叶飞，黄长干.有机合成化学[M].北京：化学工业出版社，2010：55.

[2]郭书好.有机化学[M].北京：清华大学出版社，2007：136.

[3]吴世晖.有机合成[M].北京：高等教育出版社，1986：125-126.

作者简介：李京昊（1996-），回族，西北民族大学化工学院在读。