《化学合成反应》课件

化学合成反应系统解析欢迎来到《化学合成反应》课程本课程将系统地介绍化学合成反应的基本原理、分类方法、实验技术及前沿应用通过理论与实践相结合的教学方式，帮助学生掌握合成反应的设计思路与操作技能本课程适合化学、材料、医药等专业的本科生及研究生学习我们将从基础概念出发，逐步深入到复杂反应机理分析，并探索当代合成化学的创新应用与未来发展方向希望通过这门课程，不仅能提升大家的理论知识水平，更能培养实际操作能力与科研创新思维化学合成反应基本概念合成反应定义与其他反应的区别化学合成反应是指通过化学变化将简单物质转化为复杂物质的过与分解反应相比，合成反应通常伴随着体系熵的减小，需要外界程这类反应通常涉及分子结构的构建、功能团的引入或修饰，提供能量与置换反应不同，合成反应的主要目的是构建新分子，最终获得特定目标产物而非简单的元素交换合成反应是化学研究与工业生产的基础，从药物制备到材料创新，合成反应的产物通常比原料更为复杂，分子量更大，结构更加精都离不开合成反应的支持现代合成化学追求高效、选择性和环细现代合成反应更强调反应的控制性和选择性，以获得特定构保的反应体系型的目标分子合成反应的历史发展1年尿素合成1828弗里德里希维勒首次成功合成有机物尿素，打破了有机物只能由生·命体产生的观念，开创了有机合成化学的新纪元2世纪末染料合成19珀金发现苯胺紫，开启了合成染料工业随后的偶氮染料、蒽醌染料等合成技术推动了现代染料工业的形成3世纪药物合成20阿司匹林、青霉素等药物的成功合成，标志着合成化学在医药领域的重大突破，挽救了无数生命4现代绿色合成世纪合成化学更注重环境友好性，催化、生物合成、流动化学等21技术蓬勃发展，开创了合成化学的新时代合成反应的分类按产物性质有机合成与无机合成按反应机理加成、取代、消除、重排按反应条件光化学、热化学、电化学、催化反应按应用领域药物合成、材料合成、农药合成等合成反应种类繁多，可从多个角度进行分类从分子层面看，有机合成主要围绕碳原子构建分子骨架，而无机合成则涉及更广泛的元素组合从机理角度分析，可分为加成反应、取代反应、消除反应和重排反应等基本类型核心术语与符号反应物与产物表示反应条件符号底物（）指参与反应加热条件•Substrate•Δ的主要原料分子光照条件•hν试剂（）促进反应进行•Reagent沉淀生成•↓的化学物质反应方向•→催化剂（）加速反应但•Catalyst不消耗的物质命名规范命名法则•IUPAC反应以发现者命名（如反应）•Grignard试剂通用缩写（如、等）•DIBAL LAH掌握化学合成反应的核心术语与符号是理解和表达反应过程的基础这些专业语言构成了化学家之间交流的桥梁，使复杂的反应过程能够以简洁明了的方式表达出来实验室常见合成设备基础反应装置分离与纯化设备特殊反应条件设备圆底烧瓶是最常用的反应容器，配合回流旋转蒸发仪用于低沸点溶剂的快速蒸发，手套箱为氧气敏感反应提供惰性气氛环境冷凝管可进行加热回流反应三颈烧瓶则柱层析则是分离混合物的有力工具现代高压反应釜则用于需要高压条件的反应，允许同时连接冷凝管、温度计和滴液漏斗，实验室还配备自动分离设备，提高纯化效如催化加氢微波反应器可实现快速加热，适合需要控制添加速率的反应率提高反应效率合成反应中的安全规范化学危害识别实验前充分了解所用化学品的物理化学性质、毒性和反应性查阅材料安全数据表获取详细信息，特别注意易燃、爆炸性和强氧化性物质的处理MSDS个人防护装备根据实验性质选择合适的防护装备，包括实验服、安全眼镜、手套和呼吸防护装置处理挥发性物质时必须在通风橱内操作，确保有效排气应急处理熟悉实验室安全设施位置，包括洗眼器、安全淋浴和灭火器制定明确的应急预案，对于化学品泄漏、火灾或人员伤害有清晰的处理流程废弃物处理严格按照规定分类收集和处理化学废弃物，不得随意倾倒有机溶剂、重金属和强酸碱需特别处理，避免环境污染和安全隐患反应设计的基本原则明确目标产物确定结构、纯度与产量要求资源评估原料可得性、成本与替代方案路线规划逆合成分析与关键步骤确定条件优化溶剂、温度、催化剂筛选可持续性考量绿色化学原则应用合成路线设计是化学合成的核心环节，直接影响产物的获取效率与质量优秀的合成设计应当兼顾经济性、实用性与环保性，在满足目标产物需求的同时，尽量减少资源消耗和环境影响分子骨架构建策略碳碳键形成-反应使用有机镁试剂•Grignard反应构建碳碳双键•Wittig-反应形成环状结构•Diels-Alder杂原子引入氧化反应羟基、羰基引入•卤化反应卤素取代•硝化反应引入硝基•功能团转化羰基还原为羟基•酯水解为羧酸•酰胺转化为胺•环化反应分子内缩合•环加成反应•环化消除反应•卤代反应卤代烷形成自由基卤化醇与卤化氢或三卤化磷反应生成卤代烷，烷烃在光照条件下与卤素分子反应，通如丁醇与反应生成溴丁烷过自由基机制进行卤代1-HBr1-卤代物的应用芳环卤化卤代物作为重要中间体参与后续反应，芳香化合物在酸催化下发生亲电Lewis如试剂制备或消除反应取代反应引入卤素Grignard卤代反应是有机合成中的基础转化反应，通过引入卤素原子增加分子的反应活性不同的卤素（、、、）由于电子性质和键能F ClBr I差异，其反应性和选择性各不相同，为合成化学家提供了丰富的反应工具酰化反应加成反应概览亲电加成烯烃与卤素、卤化氢等亲电试剂的加成，遵循规则例如，丙烯与Markovnikov反应生成溴丙烷，亲电试剂⁺首先进攻碳碳双键，形成碳正离子中间体HBr2-H亲核加成含有极性双键的分子（如醛、酮）与亲核试剂（如氰化物、格氏试剂）的加成例如，苯甲醛与氰化钠反应生成氰醇，这是许多多步合成的关键步骤自由基加成通过自由基机制进行的加成反应，如过氧化物存在下对烯烃的反马氏加成HBr这类反应常用于聚合物合成和某些特殊官能团的引入协同加成如反应，双烯与亲二烯体通过环加成机制一步形成六元环这种反应Diels-Alder具有高度的立体选择性，是合成复杂环状化合物的有力工具消除反应消除机理消除机理E1E2消除是通过碳正离子中间体进行的单分子消除反应首先，消除是一步完成的双分子消除反应，碱同时夺取氢的同时，E1E2β-卤素等离去基团离开形成碳正离子，然后位上的氢被碱夺取，离去基团离开这种协同机制要求和离去基团处于反式共平面βH形成碳碳双键构象这类反应倾向于生成更取代的烯烃，符合规则例如，反应通常在强碱条件下进行，如、或₃Zaitsev E2NaOH KOHNaOCH溴甲基丁烷在碱性条件下主要生成甲基丁烯，而等当使用大位阻碱如叔丁醇钾时，可能会违背3--2-2--2-t-BuOK非甲基丁烯规则，优先生成位阻较小的烯烃2--1-Zaitsev重排反应重排Wagner-Meerwein碳正离子通过迁移氢原子或烷基链段重新排列，形成更稳定的碳正离子这类重排在萜类化合物合成中尤为重要，解释了许多天然产物的生物合成途径重排Beckmann肟在酸催化条件下发生重排，形成酰胺羟基与氮原子相连的碳原子迁移到氮原子上，同时羟基离去这是工业上合成己内酰胺（尼龙前体）的关键反-6应重排Hofmann酰胺在碱性条件下与溴反应，经过重排生成伯胺，同时释放二氧化碳这一反应可用于将羧酸衍生物转化为含少一个碳原子的胺，是缩短碳链的有效方法重排Claisen烯丙基芳基醚在加热条件下发生重排，形成邻位取代的芳基烯[3,3]-σ丙基化合物这是一种强大的碳碳键形成方法，在天然产物合成中应-用广泛氧化反应醇的氧化伯醇可被氧化为醛或进一步氧化为羧酸，仲醇氧化生成酮常用氧化剂包括重铬酸钾硫酸₂₂₇₂₄、高锰酸钾₄/K CrO/H SOKMnO和吡啶氯铬酸酯等PCC碳碳双键的氧化烯烃可通过不同氧化剂转化为多种含氧化合物如用₄可断裂KMnO双键生成羧酸或酮，而₄则可立体选择性地形成顺式二醇，OsO₂₂可生成环氧化合物H O/HCOOH芳香环的氧化取代的甲苯可被强氧化剂如₄氧化为苯甲酸，这种选择性氧化KMnO在保留芳环的同时修饰侧链某些多环芳烃可进行特定位置的氧化，用于合成复杂天然产物还原反应还原剂适用底物特点应用举例₄醛、酮、酯温和，选择性高苯甲醛苯甲醇NaBH→₄酯、酰胺、腈、羧强还原性，反应完苯甲酸苯甲醇LiAlH→酸全₂烯烃、炔烃、硝基催化加氢，温和条苯乙烯乙苯H/Pd→件酯、腈低温选择性高酯醛的部分还原DIBAL-H→还原反应是有机合成中与氧化反应相对应的重要转化不同还原剂具有各自的反应活性和选择性，合成化学家可根据底物特点选择合适的还原体系例如，硼氢化钠₄是一种温NaBH和的还原剂，主要用于醛酮的还原；而氢化铝锂₄则是强还原剂，可还原多种含氧官LiAlH能团催化加氢是工业上最常用的还原方法，利用金属催化剂（如、、等）在氢气氛围下进Pd PtNi行这种方法条件温和，可控性好，特别适合大规模生产例如，甲苯的催化加氢可高效生成甲基环己烷，是重要的工业过程缩合反应缩合缩合加成Aldol ClaisenMichael缩合是羰基化合物在碱催化下形成缩合是酯在强碱如乙醇钠作用下，加成是碳负离子对不饱和羰Aldol ClaisenMichaelα,β-羟基醛或羟基酮，进一步失水生成形成酮酯的反应这一反应广泛应用于基化合物的加成反应这一反应是形β-β-β-1,4-不饱和羰基化合物的反应例如，丙合成二羰基化合物，如乙酰乙酸乙酯成碳碳键的重要方法，特别适用于构建复α,β-1,3--酮在作用下可生成羟基甲基的合成酮酯结构具有较高的酸性，可杂分子骨架在全合成中，加成NaOH4--4-β-Michael戊酮，进一步脱水得到异佛尔酮进一步参与烷基化等反应常用于引入侧链和构建环状结构-2-反应Cannizzaro反应底物无氢的醛，如苯甲醛、对甲氧基苯甲醛等这类醛由于缺乏氢，α-α-无法发生缩合，而是在强碱条件下发生自身氧化还原Aldol反应条件浓碱溶液（如），室温或轻微加热反应在液相中进行，50%NaOH通常需要搅拌以确保充分接触反应机理氢负离子从一个醛分子转移到另一个醛分子，导致一个被氧化为羧酸盐，另一个被还原为醇这是一种分子间的氢转移过程反应产物等量的羧酸盐和伯醇例如，苯甲醛发生反应生成苯甲酸Cannizzaro钠和苯甲醇，反应后经酸化处理得到苯甲酸烷基化Friedel–Crafts催化剂工业应用酸如₃、₃、₃等用于生产烷基苯、洗涤剂和塑料添加Lewis AlClFeCl BF剂催化剂与烷基卤化物形成复合物•线性烷基苯磺酸盐的合成反应底物催化量或等物质量取决于反应类•局限性•型甲苯与丙烯反应制备异丙苯•活化的芳香化合物（如苯、甲苯、萘可能发生碳正离子重排和多烷基化等）与烷基卤化物或烯烃仲卤代烷和叔卤代烷易发生重排•电子推斥基团有利于反应进行•产物更活泼，容易发生过度烷基•强吸电子基团会抑制反应化•反应Grignard1900发现年份由法国化学家发现，他因此获得年诺贝尔化学奖Victor Grignard1912C-Mg-X试剂结构形式的有机镁化合物，通常为或R-Mg-X XBr I95%工业产量纯度商业化试剂通常保持很高纯度，确保反应效率Grignard1000+已知应用反应在药物、农药和材料合成中有广泛应用反应是形成碳碳键的最重要方法之一试剂作为强亲核试剂，可与多种含碳正电性的底物反应，如醛、酮、酯、酰氯、腈等Grignard-Grignard特别是与醛酮反应生成醇的过程，被广泛应用于实验室和工业合成例如，甲基溴化镁与苯甲醛反应可生成苯基乙醇，与丙酮反应则生成叔丁醇由于试剂对水和氧气敏感，反应需在无水条件下进行，1-Grignard通常使用干燥的乙醚或四氢呋喃作溶剂反应Sandmeyer反应是一种重要的芳香族取代反应，用于将芳香族伯胺转化为卤代物、氰基化物或羟基化合物该反应首先将芳香胺通Sandmeyer过亚硝酸钠和强酸（通常是或₂₄）在低温（°）条件下转化为重氮盐，然后在铜盐（如、、）催化HCl HSO0-5C CuClCuBr CuCN下发生取代反应这一反应在有机合成中具有重要地位，特别是在需要将氨基转化为其他官能团时例如，苯胺可通过反应转化为氯苯、Sandmeyer溴苯或苯腈在多步合成中，反应常用于官能团互变，为后续转化提供适当的反应位点Sandmeyer芳环亲核取代反应活化条件存在强吸电子基团（如₂、、₃）-NO-CN-CF取代位置优先在吸电子基团的邻位和对位反应机理通过复合物中间体进行Meisenheimer合成应用制备多取代芳香化合物和杂环化合物芳环亲核取代反应是一类与芳环亲电取代截然不同的反应类型传统的苯环由于富电子性质，通常倾向于与亲电试剂反应但当苯环上连接有强吸电子基团SNAr时，环上的电子云密度降低，可被亲核试剂攻击一个典型例子是对氯硝基苯与甲醇钠的反应硝基的强吸电子效应使氯原子处于活化状态，容易被甲氧基取代，形成对硝基苯甲醚这类反应广泛应用于合成药物、染料和功能材料的中间体酯的合成酯化酰氯法Fischer这是最经典的酯合成方法，涉及羧酸与醇在酸催化条件下的直接将羧酸转化为酰氯（如用₂或₅），然后与醇反应SOCl PCl反应反应是可逆的，需要通过移除水或使用过量的一种试剂来这种方法反应迅速且转化率高，但酰氯制备过程产生腐蚀性气体，推动反应向产物方向进行需要特殊处理例如，苯甲酸与丁醇在浓硫酸催化下可生成苯甲酸丁酯工业上酰氯法常用于工业大规模生产，特别是对于难以直接酯化的羧酸通常使用离子交换树脂作为催化剂，同时采用共沸蒸馏或分子筛例如，对甲基苯甲酸可先转化为酰氯，再与乙醇反应制备对甲基吸附水的方法提高转化率苯甲酸乙酯，这是一种常用香料成分复杂有机分子的多步合成目标分析确定关键结构特征与合成挑战逆合成分析识别关键中间体与合成子路线规划设计前向合成路线，考虑步骤经济性保护基策略识别需保护的官能团与合适的保护基条件优化筛选最佳反应条件与试剂复杂有机分子的合成通常需要多步骤的有序转化成功的多步合成依赖于对每个步骤的精确控制，以及对整体路线的战略性规划在设计合成路线时，需要考虑反应的兼容性、立体选择性和区域选择性问题现代合成技术导论微波辅助合成连续流合成超声波辅助合成微波技术利用电磁辐射直接加热反应物，连续流技术将传统的批次反应转变为连续超声波技术通过声空化效应产生局部高温而非传统的热传导方式这种内部加热进行的流动过程反应物在微通道或反应高压区域，促进反应进行这种方法特别方式能显著加快反应速率，有时可将反应器中混合并反应，产物连续流出这种方适用于固液相反应和金属催化反应，可显-时间从小时缩短至分钟微波合成还能提法具有更好的温度控制、混合效率和可扩著提高反应效率，减少催化剂用量，并常高某些反应的选择性，减少副产物的形成展性，特别适用于快速放热反应和危险中用于难以进行的反应间体的处理辅酶催化合成生物催化优势常见辅酶类型辅酶催化反应在常温常压下进氧化还原辅酶如行，避免了传统化学合成中的参与电子转移NAD+/NADH极端条件酶的高选择性能够反应；作为能量载体驱ATP精确控制立体化学，减少副产动化学转化；辅酶在羧酸活A物形成，提高产品纯度生物化和转移反应中扮演关键角色；催化过程通常在水相中进行，维生素族衍生物如吡哆醛磷B符合绿色化学理念酸则催化氨基酸转化PLP工业应用辅酶催化在制药行业中用于手性药物合成，如抗生素和他汀类药物；在食品工业中用于合成香料和甜味剂；在精细化工领域用于制备特种化学品和中间体；在生物燃料生产中也发挥重要作用配合物的合成反应金属配合物的合成是无机合成化学的重要分支，涉及中心金属离子与配体之间的配位键形成典型合成路线包括直接法（金属盐与配体直接反应）、模板法（利用金属离子引导配体组装）和取代法（配体交换反应）温度、值和溶剂极性对配合物的形成与稳定性pH有显著影响乙酰丙酮锰合成是经典的配合物制备案例将锰盐溶液与乙酰丙酮在碱性条件下混合，形成具有特征色彩的配合物双甘氨酸铜则是通过铜盐与甘氨酸在水溶液中反应制备，呈现典型的蓝色晶体这些配合物在催化、材料科学和生物医学领域有广泛应用无机合成经典案例高温固相合成钛酸钡₃混合₃和₂，在°高温煅烧•BaTiOBaCO TiO1200C适用于陶瓷材料、超导体和催化剂制备•反应动力学受扩散限制，需长时间加热•溶胶凝胶法-二氧化硅纳米颗粒通过水解与缩合反应•TEOS可精确控制产物形貌、孔隙率和表面性质•适合制备高纯度、纳米级氧化物材料•水热合成沸石分子筛在高温高压釜中硅铝源反应•反应在封闭系统中超过水的沸点进行•可合成常规方法难以获得的晶体结构•电化学合成纳米银通过₃溶液电解还原•AgNO可控制粒径分布和形貌特征•绿色合成路线，减少有害试剂使用•反应机理剖析一亲核取代（）SN1/SN2机理机理SN1SN2是单分子亲核取代反应，反应速率仅取决于底物浓度首是双分子亲核取代反应，反应速率同时取决于底物和亲核SN1SN2先，离去基团缓慢离开形成碳正离子，这是速率决定步骤随后，试剂浓度亲核试剂从背面进攻碳原子，同时离去基团离开，这亲核试剂快速进攻碳正离子完成取代是一个协同过程，无中间体生成反应倾向于发生在叔卤代烷或叔醇衍生物上，其中碳正离反应优先发生在伯卤代烷和某些仲卤代烷上，空间位阻较SN1SN2子较为稳定由于碳正离子是平面结构，亲核试剂可从两侧进攻，小有利于反应进行反应的立体化学结果是完全的构型翻转，这导致构型翻转和保持的混合产物，即部分消旋是机理的特征性证据，常用于立体化学控制合成SN2反应机理剖析二亲电加成反应机理剖析三自由基反应引发阶段自由基引发剂（如过氧化物）在热或光的作用下分解，产生活性自由基例如，过氧化二苯甲酰在加热条件下断裂生成苯甲酰氧自由基，进一步分解为BPO苯基自由基和₂CO传播阶段自由基与底物反应生成新的自由基，形成链式反应在溴代反应中，溴自由基从烷烃上夺取氢原子形成烷基自由基，随后烷基自由基与溴分子反应生成溴代烷并再生溴自由基终止阶段自由基相互结合或与抑制剂反应，消除活性自由基，终止链式反应两个相同或不同的自由基可以结合形成稳定分子，如两个烷基自由基结合形成烷烃自由基反应在有机合成和聚合反应中占有重要地位与离子反应不同，自由基反应通常遵循不同的选择性规则例如，在溴化氢对烯烃的加成中，若存在过氧化物，则会发生反马氏加成，即溴加到较少取代的碳原子上，这与通常的亲电加成结果相反选择性问题区域、对映和化学选择性区域选择性立体选择性控制反应在分子的特定位置发生，如不控制产物的相对或绝对构型，包括对映对称烯烃的马氏加成选择性和非对映选择性选择性工具化学选择性手性催化剂、模板、定向基团和保护基在存在多个功能团时，反应仅在特定功策略能团上发生在复杂分子合成中，选择性控制是关键挑战例如，当分子中同时存在醛基和酮基时，₄可以选择性地还原醛基；而在不对称NaBH环氧化反应中，环氧化可高度立体选择性地仅生成一种对映异构体Sharpless绿色化学理念在合成中的体现原子经济性绿色溶剂可重复使用催化剂设计反应使最大比例的原使用水、离子液体或超临开发固定化或可回收的催料原子转化为目标产物界₂等环境友好型溶剂化系统，减少金属废弃物CO加成反应通常具有替代传统有机溶剂水相负载在聚合物或无机载体100%的原子经济性，而传统的反应展示了上的催化剂可多次使用，Diels-Alder取代反应则会产生废弃物水作为溶剂的加速效应，大幅降低贵金属消耗和环环加成反应如同时避免了有机溶剂的毒境影响Diels-反应是原子经济性性和易燃性问题Alder的典范能源效率采用室温反应、光催化或微波辅助等节能技术光催化反应利用可见光激发催化剂，在温和条件下促进反应，减少能源消耗和副产物计算机辅助合成设计反应路线规划计算机辅助合成设计软件如（前身为）能够自动生成从简单原料到复杂目标分子的合成路线这些系统基于大规模反应数据库和启发式算法，可以在数Synthia Chematica秒内评估数百万种可能路线反应预测模型机器学习模型能够预测未知反应的结果，特别是在复杂底物或新颖反应条件下这些模型通过分析分子指纹和电子特性，计算可能的反应产物和副产物分布，帮助化学家优化反应条件量子化学计算量子化学方法可以模拟反应过程中的能量变化和过渡态结构，揭示反应机理的微观细节通过计算活化能垒和反应热力学参数，研究人员可以预测反应速率和选择性，指导实验设计实验操作要点与测量精确称量使用分析天平称取固体试剂，体积式量具（量筒、移液管）量取液体计算反应物料比例时考虑纯度和当量关系，确保反应物比例精确控制微量反应可采用微量天平或自动分配器提高准确度反应控制反应过程中密切监测温度、值和搅拌速度等参数使用薄层色谱、气相色pH TLC谱或高效液相色谱跟踪反应进度敏感反应需在无水无氧条件下进行，GC HPLC采用技术或手套箱操作Schlenk产物分离根据产物性质选择适当的分离方法液液萃取分离不同极性组分；柱层析分离-结构相似化合物；重结晶提高结晶产品纯度；蒸馏分离沸点差异明显的液体混合物分离过程中控制溶剂用量，提高收率产率计算理论产量限量试剂摩尔数×产物化学计量数÷限量试剂化学计量数×=产物分子量实际产率实际得量÷理论产量×收率低于预期=100%时分析可能原因并优化条件分析与结构确认红外光谱核磁共振IR NMR通过分子振动吸收特征来识别官能团羰基在和是结构确认的主要工具质子信号的化学位C=O1650-1800¹H-NMR¹³C-NMR⁻附近有强吸收峰；羟基在⁻显示宽移、积分比和偶合常数提供分子中氢原子环境和连接信息；碳谱则cm¹O-H3200-3600cm¹带；伸缩振动在⁻范围内对于检测产显示不同碳原子的数量和类型二维技术如、进C-H2800-3000cm¹IR NMRCOSY HSQC物中预期官能团的存在非常有价值一步揭示原子间连接关系质谱射线晶体衍射MS X提供分子量和结构片段信息高分辨质谱可精确测定分子式；串联提供晶态样品的精确三维结构，是确定绝对构型的金标准对于新质谱通过碎片化模式揭示结构细节电喷雾电离适合成的复杂分子，特别是含多个手性中心的化合物，射线衍射可MS/MS ESIX用于极性大分子，而电子轰击则常用于挥发性小分子分析以无歧义地确定立体化学构型EI教学实验案例一原料准备丁醇、浓硫酸、溴化钠1-10mL15mL15g反应过程冰浴中缓慢加入硫酸，控温下加入，回流小时NaBr2后处理冷却，分液，水洗，干燥，蒸馏纯化产品检测银镜试验阴性，谱无峰，有特征峰IR OHC-Br溴丁烷的合成是典型的卤代烃制备实验，展示了醇与溴化氢的亲核取代反应实验中硫酸与溴化钠1-反应原位生成溴化氢，随后与丁醇反应生成溴丁烷这一反应遵循机理，溴离子从背面进1-1-SN2攻碳原子，同时羟基离去实验中需注意的安全事项包括硫酸的腐蚀性，加入时需在冰浴中缓慢操作；反应产生的气体有HBr刺激性，须在通风橱中进行；溴丁烷易挥发且具有刺激性，操作时应避免吸入或皮肤接触产率通1-常在之间，纯度可通过折光率或气相色谱法检测70-80%教学实验案例二教学实验案例三°°

3.7%80C235C茶叶中咖啡因含量最佳提取温度咖啡因熔点绿茶中咖啡因平均含量，可通过提取分离获得在此温度下咖啡因溶解度高且避免其他成分大量纯咖啡因的特征物理常数，可用于确认产品纯度溶出从茶叶中提取咖啡因是一个经典的天然产物分离实验实验流程包括首先将茶叶粉碎增大接触面积，用热水浸泡提取水溶性成分，加入碳酸钠使咖啡因游离出来随后用二氯甲烷进行多次液液萃取，将咖啡因从水相转移到有机相，有机相合并后用无水硫酸钠干燥-溶剂蒸发后得到的粗产物含有杂质，需要升华纯化纯咖啡因为白色针状晶体，可通过熔点测定、薄层色谱和紫外吸收光谱确认这一实验不仅教授了提取、分离和纯化技术，还展示了天然产物化学的基本原理，同时通过咖啡因这一常见物质增强学生兴趣实验典型失误与经验总结温度控制不当过高温度导致副反应或分解•温度过低反应不完全•解决方案使用油浴或恒温槽精确控温•水分污染对水敏感反应收率大幅下降•试剂失活•Grignard解决方案严格无水操作，使用火焰干燥和分子筛•分离纯化问题洗脱剂极性选择不当•萃取时形成难以分离的乳状液•解决方案预实验优化溶剂系统，加盐破乳•TLC反应监测不足反应时间过长或过短•未能及时发现异常情况•解决方案定时取样进行或监测•TLC GC合成反应在医药中的应用起始原料选择对于苯佐卡因合成，选择对氨基苯甲酸作为起始原料，其氨基和羧基官能团为后续转化提供反应位点酯化反应对氨基苯甲酸与乙醇在硫酸催化下发生酯化，羧基转化为乙Fischer酯基团，形成苯佐卡因的基本骨架3产物纯化反应混合物经碱性处理、萃取和重结晶，得到纯度大于的苯佐

99.5%卡因，满足药用标准质量控制通过检测杂质含量，红外和确认结构，熔点测定验证纯度，HPLC NMR确保药物质量合成反应在材料科学中的应用导电聚合物超吸水材料光刻胶聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等导电聚合物通聚丙烯酸钠等超吸水材料通过丙烯酸单体微电子工业中的光刻胶通过精确控制的聚过氧化聚合制备单体在氧化剂如₃的自由基聚合，同时引入交联剂形成三维合反应合成典型路线包括甲基丙烯酸酯FeCl作用下发生自由基聚合，形成共轭主链结网络结构这种合成通常采用溶液聚合或类单体的自由基聚合，并引入光敏基团构这类材料结合了金属的导电性和聚合反相悬浮聚合技术，控制交联度可调节吸聚合过程需严格控制分子量分布和末端基物的加工性能，广泛应用于柔性电子和传水性能最终产品能吸收自身重量数百倍团，以确保显影性能和分辨率感器领域的水合成反应与环境保护水相合成可回收催化剂使用水作为反应介质代替有机溶剂开发易于分离和重复使用的催化体系碳碳偶联反应的水相催化体系2磁性纳米催化剂的应用•-•表面活性剂辅助的乳液反应固定在多孔材料上的金属催化剂••废物减量与资源化能源节约技术将废弃物转化为有价值的产品降低反应能耗的创新方法₂捕获与转化为化学品超声波和微波辅助合成•CO•生物质转化为平台化学品光催化和电催化反应••前沿自动化与机械臂合成实验室自动化合成技术正在彻底改变化学研究的面貌先进的机械臂系统能够精确执行液体处理、试剂添加、温度控制和样品分析等操作，大幅提高实验效率和可重复性这些系统通常配备计算机视觉和精密传感器，可以实时监测反应进程并做出调整连续流动化学与自动化平台的结合创造了自主合成实验室的概念在这种设置中，算法可以分析实验数据，预测最佳反应条件，AI并指导机器人执行下一轮实验这种闭环优化系统能够在几天内完成传统方法需要数月的反应条件筛选工作，加速了新药开发和材料发现的进程国际重要合成大赛与奖项190146%首届诺贝尔化学奖合成相关诺奖比例授予，表彰其发现溶液中化学动力学与历史上近半数诺贝尔化学奖与合成化学直接相关vant Hoff渗透压的规律10K+国际参赛选手每年参加各类国际合成化学竞赛的学生和研究者总数诺贝尔化学奖是合成化学领域的最高荣誉，许多突破性的合成方法获得了这一奖项的认可年，根2010岸英

一、铃木章和黑克尔因钯催化的偶联反应获奖；年，列文和麦克米伦因有机小分子催化的不对2021称合成获奖这些奖项不仅肯定了科学家的贡献，也标志着合成化学的重要发展方向国际青年合成大赛为新一代化学家提供了展示才华的平台每年的国际化学奥林匹克、国际合成挑IChO战赛和青年研究者化学大会吸引了全球顶尖人才这些比赛不仅考验参赛者的理论知识，更注重创新思维和实验技能，培养了许多未来的领军人物中国学者在合成化学领域的贡献天然产物全合成中国科学院上海有机化学研究所黄乃正院士团队完成了多个复杂天然产物的全合成，如青蒿素、紫杉醇等这些工作不仅展示了高超的合成技术，也为药物开发提供了重要支持不对称催化周其林院士在手性催化剂开发方面取得突破性进展，其设计的新型手性双膦配体在多种不对称氢化反应中表现出色相关技术已成功应用于工业生产，实现了从基础研究到应用转化新合成方法学施敏教授团队开发了系列键活化新方法，大幅简化了复杂分子的合成路线这些方法C-H学创新为药物分子和功能材料的高效合成提供了新途径，引领了国际前沿研究方向工业合成技术李春教授团队在连续流动化学和微反应技术领域取得重要进展，开发的新型微反应器已在精细化工生产中应用这些技术显著提高了合成效率，降低了能耗和废物排放未来展望人工智能与合成化学结合I机器学习预测合成路线自主发现新反应人工智能算法通过学习数百万条已知反应数据，能够预测未知分结合高通量实验平台和机器学习分析，自主化学系统能够探索未子的合成路线这些系统不仅可以识别常规转化，还能发现创新知化学空间，发现全新反应类型这种机器人化学家可以连续性连接策略，有时甚至超越人类化学家的直觉判断不断地设计实验、执行反应、分析结果并优化条件最新的神经网络模型已能考虑立体化学和区域选择性问题，为手近期研究表明，辅助系统已成功发现了新型光催化反应和特殊AI性药物和复杂天然产物合成提供精确指导未来这些系统将进一活化方法随着技术进步，预计未来十年将涌现大量发C-H AI步整合机理知识和实验条件数据，提供全方位的合成建议现的新反应，彻底改变合成化学的研究范式未来展望可持续能源与合成反应II氢能合成₂转化CO开发高效电催化和光催化水分解系统，1二氧化碳催化转化为甲醇、甲酸和碳氢低能耗生产绿色氢气2化合物等高价值产品光驱动合成生物质转化利用太阳能直接驱动化学转化，模拟光木质纤维素高选择性裂解为平台化学品3合作用过程和生物燃料可持续能源与合成化学的深度融合将重塑化学工业的未来氢能作为清洁能源载体，不仅可作为燃料使用，还能作为还原剂参与多种化学转化电解水制氢技术正朝着低成本、高效率的方向快速发展，为绿色合成提供基础课后思考与拓展练习理论分析题分析反应的立体选择性原理，并预测给定底物的主要产物构型•Diels-Alder比较和反应的机理差异，解释溶剂极性对反应速率的影响•SN1SN2解释为什么某些环状化合物的合成需要高稀释条件•合成设计题设计从苯出发合成对硝基苯甲酸的多种路线，并评价各路线的优缺点•提出合成烟酰胺的工业路线，考虑原料成本和反应效率•为含多个手性中心的目标分子设计立体选择性合成策略•机理推断题基于给定的实验现象和产物分布，推断未知反应的可能机理•解释某反应在不同催化剂下产物分布的变化原因•通过同位素标记实验结果分析反应路径•文献研究题查阅近五年内发表的关于光催化活化的文献，总结研究进展•C-H对比分析三种不同的不对称环氧化方法的适用范围•调研生物催化在药物合成中的最新应用案例•总结与答疑5312+主要反应类型关键选择性控制绿色化学原则加成、取代、消除、重排和氧化还原反应构成合区域选择性、立体选择性和化学选择性是合成设可持续合成需遵循的基本准则，包括原子经济性成反应的基础计的核心挑战和废物最小化本课程系统介绍了化学合成反应的基本原理、典型反应类型和实验技术从反应机理到实验操作，从经典合成到前沿技术，我们全面探索了合成化学的理论与实践通过学习，同学们应当掌握了设计合成路线的基本思路，理解了控制反应选择性的策略，并了解了绿色化学在现代合成中的重要性合成化学是化学科学的核心领域，也是联系基础研究与实际应用的桥梁随着计算化学、人工智能和自动化技术的发展，合成化学正迎来新的发展机遇希望同学们能将所学知识应用到科研和生产实践中，为化学科学的进步和人类社会的发展做出贡献。