什么是有机合成化学?
从1940开始,用理论原理规划合成问题,用仪器控制反应过程的每一步,极大地改变了合成有机化学的局面。天然产物的化学在促进这一变化中发挥了极其重要的作用。生物化学家对维生素和酶感兴趣,制药工业对一些天然物质如抗生素、激素和鱼藤酮生物碱感兴趣,这些物质刺激了具有多个反应中心的复杂分子的合成研究。
有机合成化学的发展经历了以下几个时期:
早期
像伍子反应、威廉姆森反应、帕金反应、罗森反应、霍夫曼反应、斯克拉普反应、弗雷兰反应、雅各布森反应、诺埃尔反应、米切尔反应等,一些已经建立的“名字”反应继续被广泛使用,同时人们不断提出改进的方法来扩大其应用。因为新反应的发现使过去的目标更容易实现,使新的合成得以进行,格氏试剂于1899年提出,但直到20世纪才引起足够的重视。格林本人将这一反应推广到各种化合物的制备中,无机化学家也利用了这一反应。
由于格氏试剂容易与含有可取代氢或活性氢的物质反应,如水、醇、氨、HCl等,所以用它来分析测定这种可取代氢。这个应用最早是由圣彼得堡的L·楚加耶夫(1872—1922)提出的,后来他的学生Tserevitinov进一步发展了这个应用。
20世纪初采用的其他反应还有Bouvette的醛合成,bouchard的酸变胺反应,ullman的芳卤与铜转化为烃的反应,ullman的将简单环连接成更复杂稠环的缩合反应。所有这些反应都可以用于芳香族化合物,这些反应反映了20世纪头十年人们对染料化学的密切关注。同时出现的Bouvette-Blanc还原法提供了一种将酸转化为相应醇的方法。该还原反应是钠和乙醇在该酸的酯存在下的还原反应。克莱曼婷反应通过在酸中使用锌汞齐将羰基转化为亚甲基。碱性溶液中的过氧化氢用于Darkin反应,该反应将芳香醛转化为苯酚。
第一次世界大战期间,除了罗森蒙德还原反应外,合成化学领域没有新的活动。在该还原反应中,通过向含有钯催化剂的溶液中引入氢气,酰基被转化为醛基。将有机酸的链长缩短一个单位的栗林诚一郎-维兰德降解反应由栗林诚一郎在1913中提出,并由维兰德在1926中改进。O. Diels (1876-1934)和K. Alder (1902-1958)在1928年在Kiel中发现了另一个重要的反应。他们观察到六元环化合物顺式-△4-四氢邻苯二甲酸酐可以通过丁烯与马来酸酐的剧烈反应定量获得。
更早的时候,Melwein是Melwein-Pontdorf-Wiley还原反应的独立发现者之一,该反应是在铝醇盐的存在下,将羰基化合物还原成醇的反应。该氧化反应最适合于将仲醇转化为酮,尽管在某种程度上它也用于伯醇的氧化。
催化氢化是合成和解释理论问题的有用技术。在20世纪初,萨巴蒂埃和森德伦斯首先开发了它,并很快被用于工业生产。直到第一次世界大战结束,提供适当高压的要求推迟了氢化技术在有机研究中的广泛应用。直到20世纪30年代,它才被应用于许多重要任务。
用于氢化反应的合适催化剂的开发也非常缓慢。20世纪初,Parr提出了一种制备铂催化剂的方法。也使用了其他金属,尤其是镍。然而,制备催化剂的方法不规范,因此结果令人失望。1927M Rani专利的一种镍铝合金广泛用于制备镍催化剂,其中铝用氢氧化钠溶解并分离。亚当斯和他在伊利诺伊州的同事还原金属氧化物用作催化剂。威斯康辛州的h·阿德金斯(1892—1949)和他的同事首先开发了亚铬酸铜作为有效的催化剂。
中期
现代有机合成始于20世纪40年代。尽管一些困难的合成在过去十年中已经完成,例如,由R.R. Williams和J.K. Klein完成的硫胺素的合成;P. Kaleel和R. Kuhn独立完成的核黄素合成;由S.A .哈里斯、K .福克斯和库恩独立完成的吡哆醇的合成;t .抗坏血酸的合成由赖希斯坦和库恩独立完成;三个实验室——Kaleel实验室、A. Todd实验室和L. I. Smith实验室合成α-生育酚;由E.A. doisy实验室和L . Fiscel实验室合成止血维生素K;Bachmann、J. W. Cole和A. L. Wirtz完成了甲萘醌的合成;Fox、Kuhn和H. Vilander完成了泛酸的合成,但是这些合成与下面的全合成相比有些黯然失色。
这些全合成包括R.B. Woodward和W.E. Doreen的奎宁全合成、L.H. Saret的可的松合成、Woodward的展青霉素和马钱子碱合成、M. Gates和D. Ghinsberg的吗啡合成、Fox、A. Gresner和Subarov在Merck laboratory的维生素H合成、C.W. Waller的叶酸合成和Woodward的叶酸合成。O. isler的胡萝卜素合成、维生素A合成、F. Sanger的胰岛素合成以及Woodward和martin strel的叶绿素α合成。
这些合成的显著特点是,在这些化合物的结构确定后,它们可以很快完成。这些合成显示了有机化学领域新思想的力量。因为在做实验之前,往往需要从理论上设计反应。这些综合的成就反映了20世纪中期科学的特点——严重依赖思想的交流。狭义研究的时代已经让位于综合研究的时代。
在有机研究和工业生产中都有价值的一个特别重要的合成发展是利用微生物。霉菌和其他生物被广泛用于生产抗生素。微生物产生抗生素,但人们对中间过程了解不多。然而,在一系列的合成操作中,微生物已被用于反应的某一步骤。它们特别适合这种应用,因为它们可以进行立体选择性反应,如果通过纯化学合成反应,它们将产生异构体的混合物。维生素c,1?麻黄碱、吡哆醛、吡哆胺、一些蒽醌和一些青霉素已由合适的微生物合成,这种方法也已被用于类固醇领域。
不久的将来
高水平有机合成研究群体的数量、他们的重大发现以及该领域对年轻有为的科学家的吸引力远远超过了20世纪60年代。化学合成方法学包括一些新的合成过程、重要的合成策略和高选择性的试剂和催化剂。亲和色谱和多功能液相色谱改进了有机物的分离和纯化方法,这将大大加速有机合成的研究,从而可能解决许多更复杂的问题。
物理仪器(X射线晶体衍射、核磁共振、质谱)和计算机在结构精确测定中的应用,大大加速了新的合成生物活性分子的发现和鉴定,促进了我们对生物活性分子功能的认识。这说明计算机已经成为有机合成化学家的重要工具。计算机将不仅仅用于计算,还将用于解决各种问题和相互教学。使用计算机辅助模型分析合成将成为化学中的常规工具。