有机合成培训课件图片

有机合成的精彩世界改变世界，从有机合成开始第一章什么是有机合成？定义与本质广泛应用核心地位有机合成是利用化学方法人工合成有机分子的学从药物研发到新材料创造，从农药设计到食品添科，是连接理论与应用的桥梁，将简单分子转化加剂，有机合成无处不在，支撑着现代文明的多为复杂结构个支柱奠基人尤斯提斯冯李比希···科学巨匠的革命性贡献年，李比希成功合成尿素，彻底颠覆了长期主导科学界的生命力说这一理论认为有机物1828——只能由生命体产生他的突破性工作证明了有机物可以在实验室中人工合成，无需依赖生物过程，从而奠定了现代有机化学的基础作为有机合成的先驱，李比希还建立了世界上第一个化学教学实验室，培养了一代又一代杰出的化学家尤斯提斯冯李比希··1803-1873反应器具全观蒸馏装置利用沸点差分离混合物，由蒸馏烧瓶、冷凝管和接收瓶组成适用于纯化液体产物和溶剂回收回流冷凝装置长时间反应的理想选择，防止溶剂挥发损失冷凝管将蒸气冷却回流，维持反应浓度恒定分液漏斗液液萃取的核心工具，利用不同溶剂的密度差和溶解度差分离产物精确控制流速-，提高分离效率搅拌装置包括磁力搅拌子和机械搅拌器，确保反应混合均匀，提高反应速率和产率有机合成流程总览原料预处理包括纯化、干燥和活化，确保反应物质量达标，为高效反应奠定基础反应过程控制温度、时间、催化剂等条件，促进目标化学键形成，抑制副反应发生分离提纯通过萃取、蒸馏、结晶、色谱等方法，将目标产物从反应混合物中分离出来结构鉴定利用核磁共振、红外光谱、质谱等技术，确认产物结构，验证合成成功成品分析评估产率、纯度，分析副产物，优化工艺，为工业化生产提供依据常用反应类型演示酯化反应羟基保护酒精与羧酸在酸催化下生成酯和水的典使用叔丁基二甲基硅基保护羟基，TBS型反应防止其在后续反应中参与应用广泛，从香料合成到生物柴油制备保护基团策略是复杂分子合成的关键技，酯化反应在有机合成中扮演着核心角术，实现选择性反应控制色反应条件设定有多重要？精确控制，决定成败•温度波动±5°C，可导致收率骤降30%，甚至完全失败•溶剂选择不当，副产物可能骤增5倍，纯化难度成倍增加•反应时间控制不当，可能导致目标产物分解或过度反应•催化剂用量微调，能使反应效率提高数倍•反应气氛（氧气、水分）控制不严，可能完全抑制反应操作失误集锦一次小失误，引发大灾难有机合成的高风险瞬间常见操作失误防范措施干燥剂失效导致水敏反应完全失败实验前充分了解反应危险性••温度计放置不当，读数与实际温度相配备适当的安全防护装备••差10°C严格遵循标准操作规程•溶剂残留导致结晶纯化困难•反应前检查所有设备完好性•点火源接近易燃溶剂，引发火灾•熟悉紧急应对预案•第一章小结科学基础技术要点有机合成是化学科学的核心分支，通精通各类实验仪器设备、反应类型与过人工方法构建有机分子，颠覆了生机理，掌握条件控制的关键，是成功命力说，推动了化学革命合成的基础风险共存有机合成具有高风险性，小失误可能导致大灾难，安全意识和规范操作至关重要有机合成是科学与艺术的完美结合它既需要严谨的科学思维，也需要灵活的创造性思考；既要精确计算，也要经验直觉；既是理性的结晶，也是想象力的飞跃第二章走进实验室安全是有机合成的第一课基本防护环境要求操作规范实验服必须全扣良好通风系统实验前详读所有安全•••说明护目镜全程佩戴明确标识的试剂存放••区了解所用试剂的危险橡胶手套防化学品••性易于获取的洗眼器通风橱内操作危险反••按规定处理废弃物应紧急淋浴装置••定期检查安全设备随时可用的灭火设备••熟知应急处理流程•课本现实vs理论与现实的落差在哪里？教科书中的理想世界实验室的残酷现实反应收率常接近收率常低于，有时不足•100%•50%10%产物纯度几乎完美产物常伴随多种难分离杂质••反应条件精确可控条件控制受设备限制••步骤简单直接实际操作复杂繁琐••无副产物或易分离副产物常占主导••反应时间短且可预测反应时间难以精确预测••实验技能需要长期实践积累，书本知识只是起点，不是终点典型实验蒸馏与回流1蒸馏装置剖析回流装置原理蒸馏是分离液体混合物的经典方法，利回流是维持长时间反应的理想方式，防用组分沸点差实现分离止溶剂挥发蒸馏烧瓶盛放待分离混合物反应瓶进行化学反应••温度计监控蒸气温度回流冷凝管冷凝蒸气回流••冷凝管将蒸气冷凝为液体加热装置提供反应能量••接收瓶收集纯化产物干燥管防止空气中水分进入••适用于沸点相差大于的混合物分离酯化反应通常需要小时回流才能获得25°C3-8理想收率典型实验薄层色谱2TLCTLC基本原理应用领域薄层色谱是快速分析混合物组成的有力工具，基于不同化合物在固定相和流动相中亲和力差反应监测追踪反应进程，判断反应是否完成异纯度检测评估产物纯度，检测杂质存在操作步骤流动相筛选为柱色谱寻找最佳溶剂系统化合物识别通过值初步鉴定化合物Rf准备板（硅胶或氧化铝涂层）

1.TLC是有机合成者最常用的分析工具之一铅笔画出起始线，点样TLC

2.放入盛有流动相的展开缸

3.待溶剂前沿接近顶部，取出晾干

4.紫外灯或显色剂显示色斑

5.高效分离柱色谱实操·杂到纯只需一步原理简介关键步骤柱色谱利用混合物组分在固定相上吸附力柱子装填均匀填充硅胶，避免气泡•差异和流动相洗脱能力，实现复杂混合物和裂缝的分离纯化是实验室规模有机合成中最样品上样溶解在少量溶剂中，小心•常用的分离纯化技术加载到柱顶梯度洗脱从低极性溶剂逐渐过渡到•高极性溶剂分段收集根据监测结果收集不•TLC同组分成功技巧柱色谱成功的关键在于溶剂体系选择、上样技术和洗脱速率控制经验丰富的化学家能从混合物颜色、流动速度判断分离效果，及时调整操作参数仪器分析现场分子结构，尽在掌控核磁共振波谱仪NMR红外光谱仪IR质谱仪MS提供分子中氢、碳等原子的详细环境信快速识别分子中官能团，如羰基、提供分子量和碎片信息，可确定分子式C=O息，是结构鉴定的金标准可识别官能羟基、氨基等操作简便，样和部分结构特征高分辨质谱可精确到OH NH团、确定分子骨架、验证反应成功与否品制备快速，是日常分析的重要工具小数点后四位，区分同分异构体与色最新超导可探测微量样品（现代傅里叶变换红外光谱仪可在一分钟谱联用可分析复杂混合物中的微量成分NMR1mg）内完成扫描结构鉴定实战1H NMR谱图解析IR谱峰归属典型官能团特征吸收峰氢谱提供氢原子数量、化学环境、邻近氢的信息•化学位移δ表明氢原子的电子环境3300-3500cm-1O-H,N-H伸缩•积分表示氢原子数量比例3000-3100cm-1芳香族C-H伸缩•裂分模式反映邻近氢原子数•耦合常数J提供立体构型信息2800-3000cm-1脂肪族C-H伸缩1680-1750cm-1C=O伸缩1500-1600cm-1芳香环骨架振动1000-1300cm-1C-O伸缩产率大考验理论与现实的差距理论产率实际产率产率差距的主要原因•操作技术不熟练•原料纯度不足•提纯过程损失•副反应难以避免纯度测定三法TLC色斑评估HPLC/GC峰面积分析晶体形态观察高纯度样品在TLC板上仅显示一个主色斑副斑点数量和定量分析方法，通过峰面积百分比评估纯度主峰面积高纯度晶体通常具有规则形状、光滑表面和均匀外观强度反映杂质情况占比≥98%通常视为高纯度杂质会导致晶体形状不规则、表面粗糙、颜色不均、透快速方便但仅为定性分析，检测限约对极性相近灵敏度高，检测限可达，是最可靠的纯度测定方法明度降低经验丰富的化学家可通过肉眼判断晶体纯度

0.5%

0.01%杂质难以分辨有杂质的晶体都有瑕疵这是有机合成领域的经验之谈，纯净的化合物往往展现出完美的晶体结构—第二章小结每一步都是学问，每个细节见真章实验室安全第一有机合成涉及多种危险化学品，安全防护和规范操作是一切工作的基础理论与现实常有差距，准备面对各种翻车场景核心实验技能掌握蒸馏、回流、TLC、柱色谱等基本操作是有机合成的入门技能这些技术需要反复实践才能精通，纸上得来终觉浅分析与表征现代仪器分析技术如NMR、IR、MS是确认合成成功的关键工具学会解读谱图数据，从中获取结构信息，是有机合成研究者的必备能力产率与纯度产率和纯度是评价合成成功与否的重要指标理解影响因素，掌握提高策略，是成为优秀合成化学家的必经之路第三章经典合成路线揭秘药物分子的合成路线开发是有机合成最具挑战性的领域之一一个成功的合成路线需要考虑多个因素010203起始原料可及性步骤经济性原子经济性理想的起始原料应易得、价格合理且具有足够的步骤越少越好，每增加一步，总收率就会大幅下尽可能多的原料原子应该进入最终产物，减少废功能基团降物产生0405立体选择性放大可行性对于含手性中心的分子，合成路线应能精确控制立体化学实验室可行的路线在工业规模下可能面临挑战，需考虑安全性和成本阿司匹林的百年传奇世界首个合成药物的伟大旅程历史意义年，德国拜耳公司化学家菲利克斯霍夫曼成首个合成药物大规模商业化1899·•功实现阿司匹林乙酰水杨酸的工业化合成，开创开创了现代药物合成产业•了合成药物的新纪元引领了专利药物时代•简洁高效的合成路线至今仍是全球使用最广泛的•药物之一原料提取从柳树皮中提取水杨酸现代影响乙酰化反应水杨酸与乙酸酐在硫酸催化下反应阿司匹林合成路线的简洁优雅纯化结晶重结晶获得高纯度产品成为药物合成的典范，启发了数代化学家其合成原理至今仍在许多药物开发中应用从石油到维生素C现代化工奇迹复杂分子的工业化合成原料提取从石油分馏获得乙烯，通过氧化反应转化为乙二醛，这是维生素合成的起点C葡萄糖转化乙二醛与甲醛缩合生成葡萄糖，这一步涉及复杂的立体选择性控制结构修饰葡萄糖经过一系列氧化、还原反应，逐步构建维生素的碳骨架C微生物发酵现代工艺结合生物催化，利用微生物实现关键转化步骤，提高效率与选择性最终产物经过步关键反应，成功合成维生素，每年全球产量超过万吨5-6C10这一合成路线的成功开发极大降低了维生素的生产成本，使其从稀有营养素变为日常保健品，全球市场价值超过亿美元现代工艺将化学合成与生物技术相结合，体现了多C10学科交叉的创新思维新型合成技术·绿色化学革命微波辅助有机反应绿色溶剂替代•反应时间从小时缩短至分钟•提高收率10-30%自动化机器人合成平台科学家的小时管家24—自动合成时代—核心优势应用领域未来展望不间断工作药物分子库合成与结合的自主优化•24/7••AI精确到微升级的液体反应条件快速筛选多步连续合成集成•••处理危险反应远程操作实时分析与反馈控制••温度控制精度•±

0.1°C放大反应参数优化微型工厂概念实现••反应条件高度可重复•连续流合成工艺开发分散式药物生产••同时进行多个平行反•应自动化合成平台正在改变有机合成的工作模式，科学家从繁琐的手工操作中解放出来，专注于创造性思维和设计工作最新突破诺贝尔奖级案例不对称有机催化分子合成的革命利斯特和麦克米兰开创了有机小分子催化领域，实现了高效的不对称催化合成这一突破性工作使合成化学家能够精确控制手性分子的立体构型关键优势环境友好，避免了重金属催化剂的使用•催化剂制备简单，成本低廉•本杰明利斯特与大卫麦克米兰··高度的立体选择性控制•年诺贝尔化学奖获得者2021适用于多种反应类型•可在温和条件下进行•这项技术已在药物合成中广泛应用，为治疗阿尔茨海默病、癌症等疾病的新药开发提供了关键工具失败也是财富每一次失败都是通向创新的台阶著名反例格氏试剂挑战失败带来的创新格氏反应是有机合成中最重要的碳碳键形成方格氏反应的挑战催生了一系列创新方法-法之一，但也以其敏感性和不可预测性闻名有机锂试剂的开发，提供更高活性•有机铜试剂的应用，提高选择性•对水分极度敏感，微量水即可破坏反应•反应条件，避免制备金属有机物•Barbier放大时反应热难控制，导致失控风险•流动化学技术，安全处理不稳定中间体•某些底物容易发生副反应•超声波辅助活化，提高反应效率•活性中间体不稳定，时效性强•这些创新已发展成为独立的研究领域，解决了许多合成难题环境与可持续负责任的合成地球友好型化学废液减量与回收现代实验室采用溶剂蒸馏回收系统，可回收以上的废弃溶剂特殊废液通过处理后可转化为有用原料，80%实现资源循环利用低能耗实验设计采用室温催化体系，减少加热需求；利用自然光催化反应，降低能源消耗；微型反应器减少试剂使用量，提高能源利用效率生物基原料替代从生物质中提取原料替代石油基化学品；利用酶催化实现特定转化；发展基于可再生资源的合成路线，减少碳足迹绿色合成认证国际标准组织已建立绿色合成评价体系，包括因子评估、原子经济性计算等指标获得绿色认证的产品在E市场上具有显著竞争优势绿色有机合成不仅是环保需求，也是经济效益的体现可持续合成路线通常意味着更低的成本和更高的效率，是现代化学发展的必然趋势未来有机合成助力·AI智能设计革命人机协作新模式人工智能正在彻底改变有机合成的设计未来实验室中，科学家与系统深度融AI方法合分子逆合成分析，秒级生成多种合成科学家提供创意和目标，设计最佳••AI路线路线基于数百万反应的机器学习预测反应自动化设备执行推荐的实验方案••AI结果实时分析数据反馈给进行优化调整•AI自动优化反应条件，大幅提高成功率•科学家审核结果并提供专业判断•发现传统方法难以想到的新反应类型•整个流程形成闭环，不断自我完善•识别潜在的安全风险，提前规避危险•据预测，到年，超过的常规有机合成将由辅助完成，使科学家能够专注于更203060%AI具创造性和挑战性的研究问题中国在该领域的投入位居世界前列，有望引领这一革命性变革结语每分子皆奇迹·在有机合成中创造未来有机合成是连接自然与创新的桥梁，是将想象变为现实的魔法每一个被创造的分子，都承载着解决人类挑战的潜能无论是治愈疾病的药物、改变材料性能的添加剂，还是提升生活品质的日用化学品，都源于有机合成的奇妙变化作为化学家，我们不仅是分子的设计者，更是未来的缔造者掌握有机合成，就是掌握了改变世界的钥匙让我们在分子的海洋中探索，在化学反应的奇迹中创新，共同书写有机合成的辉煌篇章！。