卤化反应-药物合成反应gcz.ppt

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1、药物合成反应,南京工业大学药学院,10%平时成绩20%课后作业70%期末考试Or10%平时成绩20%课后作业30%期中考试40%期末考试,前言,药物是人类防治疾病、保护健康必不可少的重要物质，是一种特殊商品。凡具有预防、治疗、诊断人的疾病，有目的地调节人的生理机能的化学物质均称为化学药物。按其来源，化学药物可分为天然药物和合成药物两大类。天然药物系指从动物、植物、矿物中提取的有效成分或经微生物发酵产生的化学药物；合成药物系指采用化学合成手段，按全合成、半合成等方法研制和生产的化学药物。,目前，化学药物是临床用药的主力军，而合成药物则是化学药物的主体。,全合成法由结构简单的化工原料经一系列单元反

2、应制得药物的方法，是基础的传统的化学制药方法。在药物发展史上发挥了重大的作用。半合成法对已具有一定基本结构的产物（天然提取物、生物合成物等）经化学改造或结构修饰，从而获得一种新药的方法，其目的是提高疗效、减少毒副作用或弥补其它缺陷，满足临床用药及发展的需要，如各种抗生素、维生素等的深加工，紫杉醇等的半合成等。该法在药物研发与生产中具有广泛的应用前景。,药物合成是有机合成的一个重要应用分支。,一种原料或中间体转变成另一种中间体或药物，必须经过一种或一系列化学反应来实现，每种化学反应必然属于某一化学反应类型，此种反应类型称作药物合成单元反应，简称药物合成反应。熟练掌握药物合成反应是进行药物合成及其

3、设计的基础。由于药物本身结构的复杂性、多样性及其高质量要求，致使药物合成过程与一般的化学品有较大区别。根据药物合成的本质和目的，将药物合成反应的重点放在有机分子骨架（碳架或杂环母核）建立和官能团转化以及选择性控制方法上。,药物合成反应课程的教学目的是使学生在学习有关基础课程后能系统地掌握化学药物及其中间体制备中重要有机合成反应和合成设计原理，以利于培养学生在实际药物合成工作中能选择良好的药物合成反应、分析、确定合理的工艺条件和控制方法，设计药物合成路线，根据科学实验和生产实践，筛选、抉择药物的工艺路线，并将反应条件控制在最佳状态，从而实现药物合成过程的最优化。因此药物合成反应对于制药工程专业来

4、说是很重要的一门专业课程，希望大家认真学习。,药物合成反应中第一章卤化反应、第二章烃化反应、第三章酰化反应、第四章缩合反应是核心内容。,参考书,有机化学 第二版 王积涛等编 南开大学出版社基础有机化学 第三版 邢其毅等编 高等教育出版社有机化学 第三版 胡宏纹主编 高等教育出版社,第一章 卤化反应 Halogenation Reaction,卤化反应：在有机化合物分子中建立 C-X，得到含卤化合物的反应工业应用：20世纪20年代以后1923年：甲烷气相氯化的工业装置建成1931年：工业生产氟氯甲烷1958年：氧化氯化法合成卤代烷现在：广泛用于有机合成，制备各种重要的原料、中间体和工业溶剂,1.

5、制备含卤素的有机药物 2.卤化物是官能团转化中一类重要的中间体。药物中间体 糖皮质激素醋酸可的松 3.将卤素原子作为保护基、阻断基，用于提高反应的选择性,卤化反应在有机合成中的用途：,卤 化 反 应 的 类 型 不饱和烃的卤加成 饱和烷烃、芳香环上的卤取代 烯丙位、苄位上的卤置换 醛酮羰基-位的卤置换 羧酸羟基的卤置换：形成酰卤、卤代烃,反应类型亲电加成亲电取代亲核取代自由基反应,常用的卤化剂卤素（X2）：Cl2、Br2次卤酸（HOX）：HOCl、HOBrN-卤代酰胺：如 N-溴（氯）代乙酰胺（NBA，NCA）N-溴（氯）代丁二酰亚胺（NBS，NCS）卤化氢（HX）：HCl、HBr,第一节 不

6、饱和烃的卤加成反应,学习内容：卤素、次卤酸（酯）、N-卤代酰胺、卤化氢 对不饱和键的加成反应基本要求：掌握以上卤化剂对不饱和键的加成反应的机理、反应条件与产物之间的关系以及应用实例。,一、卤素对烯烃的加成反应,概 述 烯烃和卤素加成，得到1，2-二卤代物。,氟与烯烃的加成在有机合成上无实用意义。碘与烯烃的反应不容易发生，应用亦很少。氯、溴与烯烃的加成是精细化工领域普遍应用的单元反应技术之一，我们将重点介绍。,F2是卤素中最活泼的元素，与烯烃的反应非常剧烈，放出大量的热，易发生爆炸。常伴随取代、聚合等副反应，难以得到单纯的加成产物。因此，在合成上，烯烃的氟加成应用价值很小。而且，由于C-F键比C

7、-H键还稳定，氟化物不宜作为有机合成的中间体。,含氟药物：引入氟原子的方法：卤素-卤素置换反应,F2,光引发下的自由基反应 碘与烯烃的反应不容易发生。（原因：C-I键不稳定，碘加成反应是一个可逆过程。,热稳定性、光稳定性都很差,I2,（1）环正离子中间体机理（反式加成）,环正离子中间体机理表明：该亲电加成反应是分两步完成的反式加成。首先是试剂带正电荷或带部分正电荷部位与烯烃接近，与烯烃形成环正离子，然后试剂带负电荷部分从环正离子背后进攻碳，发生SN2反应，总的结果是试剂的二个部分在烯烃平面的两边发生反应，得到反式加成的产物。,（2）离子对中间体机理（顺式加成）,按离子对中间体机理进行的过程表述

8、如下：首先试剂与烯烃加成，烯烃的键断裂形成碳正离子，试剂形成负离子，这两者形成离子对，这是决定反应速率的一步，键断裂后，带正电荷的CC键来不及绕轴旋转，与带负电荷的试剂同面结合，得到顺式加成产物。,+,Y-,（3）碳正离子中间体机理（顺式加成）（反式加成）,碳正离子机理进行的过程可表述如下：试剂首先解离成离子，正离子与烯烃反应形成碳正离子，这是决定反应速率的一步，键断裂后，CC键可以自由旋转，然后与带负电荷的离子结合，这时结合有两种可能，即生成顺式加成与反式加成两种产物。,（4）三分子过渡态机理（反式加成）,YE,EY,实际上，三分子碰撞几率小。一般认为，先形成p络合物，然后再与另一分子反应,

9、1.卤素与烯烃的亲电加成反应（1）反应历程：第一步：卤正离子向 键进攻，形成三员环卤正离子 或开放式碳正离子的过渡态。,第二步：对于过渡态（1）：卤负离子从环状卤正离子的背面向碳原子做亲核进攻，得到一对外消旋体的反式加成产物。,注：卤负离子究竟从三员环背面进攻哪一个碳原子，取决于形成碳正离子的稳定性。碳正离子的稳定性：叔仲伯 连有烷基、烷氧基、苯基等给电子基团的烯键碳原子是卤负离子优先进攻的位置。,例1.,主要产物,对于过渡态（2）：卤负离子进攻开放式的碳正离子，得到相当量的顺式加成产物。,（2）影响反应的因素：a.烯键邻近基团 与烯键碳原子相连的取代基性质不仅影响着烯键极化方向，而且直接影响

10、着亲电加成反应的难易程度。烯键碳原子上连有推电子基，有利于烯烃卤加成反应的进行。反之，若烯键碳原子上连有吸电子基团，则不利于反应进行。,推电子基：如 HO RO CH3CONH C6H5 R,吸电子基：如 NO2 CN COOH COOR SO3H X,b.卤素活泼性 Cl正离子的亲电性比Br正离子强，所以，氯与烯烃的加成反应的速度比溴快，但选择性比溴差。c.溶剂 常用溶剂有CCl4、CHCl3、CH2Cl2、CS2、Et2O、CH3COOC2H5等惰性溶剂。d.温度 反应温度一般不宜太高，如烯烃与氯的反应，需控制在较低的反应温度下进行，以避免取代等副反应发生。,立体化学问题,顺式,环卤鎓离子

11、也可以形成在氯或碘的加成中，但是氯的电负性较大，原子半径小，因此会出现顺式（syn-）加成（why?）,（2）离子对中间体机理（顺式加成）,按离子对中间体机理进行的过程表述如下：首先试剂与烯烃加成，烯烃的键断裂形成碳正离子，试剂形成负离子，这两者形成离子对，这是决定反应速率的一步，键断裂后，带正电荷的CC键来不及绕轴旋转，与带负电荷的试剂同面结合，得到顺式加成产物。,+,Y-,（3）碳正离子中间体机理（顺式加成）（反式加成）,碳正离子机理进行的过程可表述如下：试剂首先解离成离子，正离子与烯烃反应形成碳正离子，这是决定反应速率的一步，键断裂后，CC键可以自由旋转，然后与带负电荷的离子结合，这时结

12、合有两种可能，即生成顺式加成与反式加成两种产物。,20-25,(8485%),2.卤素与烯烃的自由基加成需要光或自由基引发剂催化。光卤加成反应特别适用于双键上具有吸电子的烯烃、芳环。例2：,3.卤素与炔烃的加成得反式二卤烯烃,二、次卤酸及其酯对烯烃的加成次卤酸与烯烃加成，按照马氏规则，卤素加成在双键的取代较少的一端，生成-卤醇。,2.反应机理选择性与卤素加成相同。,3.次卤酸很不稳定，极易分解，需现制现用。次氯酸或次溴酸可用氯气或溴素与中性或含汞盐的碱性水溶液反应而得到。,4.次氯酸酯与烯烃的反应机理:与次氯酸与烯烃的反应相同。最常用的次氯酸酯为次氯酸叔丁酯，可在中性或弱酸性条件下与烯烃反应。

13、根据溶剂亲核基团的不同，可生成相应的-卤醇的衍生物。,三、N-卤代酰胺与烯烃的加成是制备-卤醇的又一重要方法。反应历程与次卤酸（酯）与烯烃的亲电加成类似。2.特点：卤正离子由N-卤代酰胺提供，OH等负离子来自反应溶剂（H2O、ROH、DMSO、DMF)。3.四种常用的N-卤代酰胺：N-溴（氯）代乙酰胺 N-溴（氯）代丁二酰亚胺,4.定位：遵循马氏规则,注：一个从烯烃制备-溴酮的很好方法！,（-溴醇）,（-溴酮）,例：,四、卤化氢与烯烃的加成,卤化氢对烯烃加成，得到卤素取代的饱和烃。1.卤化氢与烯烃的离子型亲电加成（1）反应历程：,（2）影响反应定位方向的主要因素 a.活性中间体碳正离子的稳定性

14、 氢原子加到能形成最稳定的碳正离子的那个双键碳原子上。叔碳正离子 仲碳正离子 伯碳正离子 即：R3C+R2HC+RH2C+,b.烯键上取代基的电子效应卤化氢与烯烃的离子型亲电加成是反应的第一步，烯键的质子化发生在电子云密度较大的烯键碳原子上。当烯键碳原子上连有推电子取代基时，加成方向符合马氏规则；连有吸电子基时，加成方向反马氏规则。,2.溴化氢对烯烃的自由基加成历程,反应的定位：反马氏规则 碳自由基的稳定性顺序：叔R3C 仲R2HC 伯RH2C 碳自由基可与苯环、烯键、烃基发生共轭或超共轭效应而得到稳定，故溴倾向于加在含氢较多的烯烃碳原子上。,注：只有溴化氢才能和烯烃发生自由基型亲电加成反应！

15、在过氧化物存在或光照的条件下，烯烃和溴化氢发生自由基型加成反应并得到反马氏规则的产物，这一研究无论是在理论还是在工业上都有非常广泛的应用。利用烯烃加溴化氢的离子型亲电加成途径和自由基型加成途径，我们可以有选择性的制备两种类型结构的溴代物。,3.卤化氢对炔烃的加成,五、不饱和烃的硼氢化-卤解反应,反马氏加成 炔烃的硼氢化卤解反应来说，反应产物的立体化学常随卤化剂和反应条件不同而异。如1辛炔经过硼氢化，用碘和氢氧化钠水溶液作用生成E碘代烯烃。,第二节 烃类的卤取代反应,学习内容：卤素、N-卤代酰胺及其它的卤化剂对烯丙位、苄位和芳环上的氢的取代反应。基本要求：掌握各类反应的反应机理、反应条件、影响反

16、应的主要因素以及在精细化工中的应用。,一、脂肪烃的卤取代反应,1.烯丙位碳原子上的卤取代反应,2.苄位碳原子上的卤取代反应,二、芳烃的卤取代反应,一、脂肪烃的卤取代反应 1.饱和脂肪烃上的卤取代反应饱和脂肪烃上的氢原子活性比较小，需在高温、光照或自由基引发剂的存在下，才能发生卤取代反应。经历自由基历程。烷烃中氢原子的活泼性顺序是：叔氢仲氢伯氢！自由基的稳定性顺序：321 CH3不同卤素与烷烃进行卤化反应的活性顺序为：FClBrI烷烃卤化时，卤原子的选择性是I Br Cl F,2.烯丙位和苄位碳原子上的卤取代反应 烯丙位和苄位氢原子比较活泼，在高温、光照或自由基引发剂的存在下，容易发生卤取代反应

17、。,反应机理：自由基反应,影响反应的因素（1）取代基 a.苄位及其邻、对位，或烯丙位上若接有给电子基团，活性中间体碳自由基的稳定性加强，反应增快；反之，接有吸电子基团，反应受阻。如：苄位二卤代物的制造比一卤代物困难的多，原因正是如此。,b.反应物分子中若存在多种烯丙位C-H键，同样，因碳自由基稳定性的关系，它们反应活性顺序为：叔碳自由基仲碳自由基伯碳自由基,（2）卤化试剂 常用的卤化试剂有卤素、次氯酸叔丁酯、N-溴（氯）代丁二酰亚胺等。其中，NBS、NCS有选择性高、副反应少等优点。（3）温度 烯丙位卤代一般在高温下进行，低温有利于烯键与卤素的加成。苄位氢原子的卤代同样如此。,BPO：过氧化苯

18、甲酰benzoyl peroxide,（4）溶剂 反应大多采用无水非极性惰性溶剂，如四氯化碳、苯、石油醚等。反应若是液体，也可不用溶剂。,二、芳烃的卤取代反应1.反应机理：离子型亲电取代反应首先由极化了的卤素分子或卤正离子向芳环做亲电进攻，形成-络合物以及-络合物，然后很快失去一个质子而得卤代芳烃。,2.亲电试剂的主要形式a.在反应中被极化的卤素分子b.在催化剂（如路易丝酸等）作用下发生极化的卤素分子c.由卤化剂提供的卤素正离子如NBS、HOX、酰基次卤酸酐等d.其他形式的亲电试剂分子（如卤代酰胺等）,3.影响反应的因素：（1）芳烃取代基：芳环上取代基的电子效应对芳烃卤代的难易及卤代的位置均有

19、很大的影响。芳环上连有给电子基，卤代容易进行，且常发生多卤代现象。但适当的选择和控制反应条件，可使反应停止在单、双卤代阶段。,芳环上若连有吸电子基团，反应较困难。一般需用Lewis酸催化，并在较高的温度下进行卤代，或采用活性较大的卤化试剂。,（2）芳核：没有含多余孤电子的芳杂环（如吡咯、呋喃、噻吩），卤代反应比苯容易进行。反之，含有多余孤电子的芳杂环（如吡啶），卤代反应比苯难。,注：具有推电子基的吡啶络合物的卤取代反应比较容易，可在较温和的条件下进行。,（3）卤化试剂：F2直接用F2与芳烃作用制取氟代芳烃，反应非常剧烈，需在氮气或氩气稀释下于-78 下进行，故无实用意义。I2 单独使用I2对芳

20、烃进行碘代反应效果不好，由于反应生成的碘化氢具有还原性，可使碘代产物可逆转化又成为原料芳烃。（1）去除HI：a.加入氧化剂 b.加入碱性缓冲物质 c.加入金属氧化物（2）采用强碘化剂，如ICl(一氯化碘）等来提高碘正离子浓度。,二、羧酸的-卤取代反应,一、醛、酮的-卤取代反应,第三节 羰基化合物的卤取代反应,学习内容：卤化剂对羰基位氢的卤取代反应。,一、醛、酮的-卤取代反应,羰基的-H 比较活泼，在酸或碱的催化下，可被卤原子取代，生成-卤代羰基化合物。,1.酮的-卤取代反应,反应历程:离子型亲电取代反应 注:反应历程与催化剂的性质有关。,一般来说，羰基化合物在酸（包括Lewis酸）或碱（无机或

21、有机碱）催化下，转化为烯醇形式，才能和亲电的卤化剂反应。,一般来说，羰基化合物在酸（包括路易士酸）或碱（无机或有机碱）催化下，转化为烯醇形式才能和亲电的卤化剂进行反应。酸催化机理：,+酸、碱催化机理药物合成反应p22,第三节 羰基化合物的卤代反应,一、醛酮-位氢的卤代反应 1.酮-H卤代反应 碱催化机理：,+酸、碱催化机理药物合成反应p22,在酸催化的-卤取代反应中，也需要适当的碱（B:）参与，以帮助-氢质子的脱去，这是决定烯醇化速率的过程，未质子化的羰基化合物可作为有机碱发挥这样的作用。例如苯乙酮的溴化在催化量AlC13作用下，生成-溴代苯乙酮，但在过量AlC13存在下，由于羰基化合物完全形

22、成三氯化铝的络合物而难以烯醇化，结果不发生一卤代，而发生苯核卤化反应，得到间溴苯乙酮。,（1）酸催化的-卤取代，需要适量的碱的参与，以帮助-H的脱去;酸可以促进烯醇化进行。例：苯乙酮的溴化,（2）在酸催化下不对称酮的-卤代主要发生在与推电子基相连的-碳原子上，因为推电子基有利于酸催化下烯醇的稳定。,注：在位上具卤素等吸电子基时，卤代反应受到抑制，故同一个-碳原子上引入第二个卤原子相对困难。,主产物？,（3）而碱催化反应，-卤代容易在与吸电子基相连的-碳原子上进行，反应进行到位彻底卤代为止。,甲基酮化合物降解生成少一个碳原子的羧酸的有效方法！,四溴环己二烯酮（不发生双键加成反应）,2.醛的-卤取

23、代反应,在酸或碱的催化下，醛基碳原子上的氢和-碳原子上的氢都可以被卤素取代，而且，还可能有其它聚合等副反应发生。,对于无-氢原子的芳香醛，可利用这一性质，用卤素直接取代醛基碳原子上的氢原子，生成相应酰卤。,为了得到预期的-卤代醛，一般可将醛转化成烯醇酯，然后再与卤素反应。,在少量1，4-二氧六环存在下，于-125，使醛与溴和二氧六环的络合物反应,2.卤代铜与醛反应，可以较高收率得到-卤代醛,二、烯醇和烯胺衍生物的卤化反应,三、羧酸或衍生物的-卤取代反应,（1）机理：离子型亲电取代反应(同上)（2）特点：羧酸的-氢原子的不够活泼,一般需将羧酸先转化成-氢原子活性较大的酰氯或酸酐，然后再用卤素或

24、N-溴代丁二酰亚胺等卤化剂进行-卤代。,还可以使羧酸在催化量的三卤化磷或红磷的存在下与卤素反应。,第四节 卤素的置换反应,学习内容：学习卤化剂SOX2，HX，有机磷卤化物等对醇羟基、酚羟基、羧羟基的置换反应，以及其它官能团化合物（卤化物、芳香重氮盐化合物）的卤置换反应，掌握各类卤化剂的反应特点和应用范围。,1.卤素置换羟基,2.卤化物之间的卤素置换,概 述,3.卤素置换羧基,4.芳香重氮盐化合物的卤素置换反应,一、醇的置换反应 1.醇与氢卤酸的反应,(1)可逆反应 使用醇或氢卤酸过量，并不断的将产物或生成的水从平衡混合物中移走，可使反应加速，产率提高。去水剂包括：H2SO4、H3PO4、无水Z

25、nCl2，CaCl2恒沸带水剂：苯、环己烷、甲苯、氯仿等,(2)反应活性：醇：苄醇、烯丙醇 叔醇 仲醇 伯醇 HX：HI HBr HCl,(3)醇与碘的置换反应,注：HI 有较强的还原性，易将反应生成的碘代烃还原生成烃醇的碘置换一般用 KI/H3PO4 作为还原剂，也可以用 I2/P 的办法,（4）醇的氯置换反应活性较大的叔醇、苄醇可直接用浓盐酸或 HCl 气体，而伯醇常用 浓HCl-ZnCl2 进行反应。,浓HCl-ZnCl2:Lucas 试剂,2.醇与氯化亚砜（SOCl2)的反应,优点：反应中生成的氯化氢和二氧化硫均为气体，易挥发除去而无残留，经直接蒸馏可得纯的卤化烃。,（1）反应中加入少

26、量有机碱（如吡啶）做催化剂。可加快反应速度。,（2）SOCl2 与DMF（二甲基甲酰胺）合用，反应速度和选择性均大大提高。,Vilsmeier试剂,POCl3HMPA：(Me2N)3PO,3.醇与卤化磷的反应,4 与其它卤化剂,选择性的卤化苄位与烯丙位-OH,二、酚羟基的卤素置换反应 酚羟基的活性小，在醇置换反应中应用的HX和SOCl2均不能在酚的置换反应中有满意的效果。一般需用强卤化剂，如 PCl5 PCl5/POCl3 的混合物,或有机磷卤化物。活性：PCl5 POCl3 POCl3 活性弱，可用于杂环化合物的卤置换反应。,（1）PCl5与酚羟基的卤置换反应温度不宜过高 原因：PCl5受热

27、易离解，温度越高，离解程度越大，置换能力越低。,（2）缺电子杂环上羟基的卤置换反应相对比较容易。如喹啉环上羟基的卤置换。,（3）置换活性较小的酚羟基，可使用有机磷卤化物。这些试剂沸点较高，可在较高温度和不加压的条件下进行卤化。,三、醚的卤置换反应氢卤酸(HI、KI/H3PO4、HBr)、路易斯酸(BF3、BBr3、BCl3)等。直链醚很难发生此反应，主要是环醚和芳基烷基醚。,四、羧酸羟基的卤置换反应,a.羧酸的卤置换反应活性顺序：脂肪羧酸 芳香羧酸（芳香羧酸：具给电子基的无取代的具吸电子基的）,b.卤化剂活性：PX5 PX3 POX3,(1)PCl5 活性很大，尤其适用于具吸电子基的芳酸。,(

28、2)PCl3/PBr3 活性比PCl5 小，一般适用于脂肪酸的卤置换反应,(3)氧氯化磷的活性更小，主要用于与活性大的羧酸盐反应,四、羧酸的脱羧卤置换反应（1）羧酸银盐的脱羧反应：Hunsdriecke反应 羧酸银在无水条件下，以CCl4为溶剂，与Br2或I2反应，脱去CO2，生成比羧酸少一个碳原子的卤代烃。,要求绝对无水,（2）为避免制备不稳定的无水银盐，可采用羧酸的汞盐或（亚汞盐）和卤素反应。优点：操作简便，光照下收率明显提高。,（3）Kochi 改良方法：,用于仲、叔氯代烃的合成,五、卤化物的卤素交换反应,即：有机卤化物与无机卤化物之间进行的卤原子交换 的反应。用于制备直接用卤化方法难以得到的碘 代烷或氟代烷,常用的氟化剂：SbF3 SbF5 KF 等。注：SbF3 和 SbF5 均能选择性的作用于同一碳原子上的多卤原子，而不与单卤原子发生置换。,磺酸酯的卤置换反应 将OH变为X最有效方法，常用卤化剂有卤化钠、卤化钾、卤化锂、卤化镁等,六、芳香重氮化合物的卤素置换反应,氯化亚铜或溴化亚铜在相应的氢卤酸存在下，分解重氮盐，生成氯代或溴代芳烃,制备碘代芳烃不需加铜盐，直接用重氮盐与KI或I2加热反应。,Schiemann(希曼)反应,