分子與有機合成課程概述課程目標掌握分子結構基礎理論主要內容學習有機合成反應及應用學習方法第一章：分子的基本概念原子結構基本粒子組成單元分子形成原子通過化學鍵結合復雜結構1.1原子與分子原子結構由原子核與電子組成分子定義原子通過化學鍵結合形成的微粒分子與化合物的區別1.2分子的化學鍵共價鍵原子間共享電子對形成的化學鍵離子鍵正負離子間靜電引力形成的化學鍵金屬鍵金屬原子間共用自由電子形成的化學鍵氫鍵氫原子參與形成的特殊分子間作用力1.3分子的空間結構立體分子四面體、八面體等復雜結構平面分子原子排列在同一平面上線性分子原子沿直線排列1.4分子的極性極性分子電荷分布不均勻具有偶極矩例如：水、氨、醇類非極性分子電荷分布均勻無偶極矩例如：氫氣、氮氣、大多數烷烴影響因素原子電負性差異分子幾何構型對稱性1.5分子間作用力范德華力普遍存在的微弱作用力偶極-偶極作用極性分子間的靜電引力π-π堆積芳香環系統間的特殊相互作用第二章：有機化合物的基本類型烴類只含碳氫元素含氧化合物醇、醛、酮、酸等含氮化合物胺、酰胺等雜環化合物含環上雜原子2.1烷烴結構特點C-C單鍵構成的鏈狀或環狀碳氫化合物命名規則基于碳原子數量的系統命名法物理性質熔沸點隨碳鏈增長而升高2.2烯烴和炔烴不飽和鍵特性含C=C雙鍵或C≡C三鍵命名規則以-烯和-炔作為后綴幾何異構體順式和反式構型2.3芳香烴苯環結構六元環具有特殊穩定性芳香性大π電子云分布帶來獨特穩定性取代基效應影響苯環電子密度分布2.4醇、醚和酚醇類含羥基(-OH)的化合物醚類含R-O-R'結構的化合物酚類羥基直接連接在芳環上的化合物2.5醛和酮羰基結構C=O雙鍵作為特征基團sp2雜化碳原子命名規則醛類：-醛(-al)作后綴酮類：-酮(-one)作后綴主要反應親核加成縮合反應氧化還原反應2.6羧酸及其衍生物2.7胺類化合物氨基結構含氮原子的有機化合物堿性特點氮原子上孤對電子賦予堿性生物學意義氨基酸、神經遞質的重要組成部分第三章：有機合成的基本原理5基本反應類型掌握核心反應機理7關鍵策略逆合成分析為核心3選擇性問題控制反應方向和立體構型3.1有機合成的定義和意義定義通過化學反應構建有機分子從簡單前體到復雜目標分子應用領域藥物開發材料科學農業化學品技術進步催化技術革新綠色合成方法自動化和人工智能3.2逆合成分析Corey的貢獻系統化逆合成分析方法開創者斷鍵分析識別關鍵化學鍵并向后推導合成樹構建評估多條可能路線3.3合成路線設計線性合成逐步構建分子骨架收斂性合成同時構建多個片段后連接計算機輔助設計軟件預測最佳合成路線3.4反應類型取代反應原子或基團被替換加成反應在不飽和鍵上添加基團消除反應分子失去小分子形成不飽和鍵重排反應分子骨架結構重組3.5選擇性問題化學選擇性在多個反應位點間選擇性反應區域選擇性在不對等位點間選擇性反應立體選擇性控制生成物的空間構型第四章：常用有機合成方法形成化學鍵碳骨架構建核心方法官能團轉化改變分子活性位點保護策略臨時屏蔽活性基團催化反應提高反應效率與選擇性4.1碳-碳鍵形成反應Grignard反應有機鎂試劑與親電試劑的反應Aldol縮合碳負離子與羰基化合物反應Diels-Alder反應共軛二烯與烯烴的環加成反應4.2氧化還原反應氧化劑CrO?/H?SO?KMnO?NaIO?DMSO/活化劑還原劑NaBH?LiAlH?H?/催化劑Zn/HCl選擇性控制溫度溶劑催化劑立體環境4.3保護基化學理想保護基易引入易脫除高選擇性常用保護基羥基、氨基、羰基保護保護策略復雜分子合成的關鍵步驟4.4金屬催化反應鈀催化Suzuki、Heck、Sonogashira偶聯2銅催化Ullmann反應、Click化學3金催化炔烴活化、環化反應4.5不對稱合成手性概念可疊加鏡像關系不對稱催化手性催化劑控制立體構型立體選擇性優先形成特定構型產物第五章：綠色有機合成環保理念減少廢棄物和有毒物質節能工藝降低能耗和資源消耗可持續方法可再生資源和催化技術5.1綠色化學原理預防為主防止污染優于治理1原子經濟性反應物原子最大化利用2安全化學品降低毒性和環境危害3可再生資源利用生物質代替石油4催化優先選擇性催化代替計量試劑55.2環境友好型反應1水相反應水作為綠色反應介質2無溶劑反應機械研磨或熔融狀態反應3離子液體可回收利用的綠色反應介質4微波輔助合成加速反應降低能耗5.3可再生資源利用生物質轉化纖維素轉化為平臺化合物木質素降解利用植物油轉化為生物燃料CO?固定CO?加氫制甲醇CO?環加成反應電化學轉化CO?未來方向整合生物和化學催化人工光合作用碳循環經濟5.4生物催化酶催化優勢高選擇性和溫和條件常用酶類脂肪酶、轉氨酶、還原酶全細胞催化利用微生物進行復雜轉化5.5流動化學連續流動反應反應物持續流經反應器微反應器微通道提高傳質和傳熱效率工業應用批量生產轉向連續生產第六章：天然產物全合成合成挑戰復雜結構和立體化學學術價值驗證結構和開發新方法藥物應用開發新型藥物和類似物6.1天然產物合成的意義結構確證通過合成驗證復雜天然產物結構生物活性研究結構與活性的關系方法學發展推動新合成方法的創新6.2經典天然產物合成案例青蒿素全合成含過氧橋結構的抗瘧藥Schmid和Hofheinz首次全合成Zhu和Cook的高效合成紫杉醇全合成復雜多環抗癌藥物Holton和Nicolaou團隊全合成高度官能化的四環骨架6.3天然產物合成策略生物合成啟發模仿自然界合成路徑骨架構建關鍵環化反應形成核心結構官能團裝飾選擇性引入復雜取代基立體化學控制精確設置多個手性中心6.4復雜分子骨架構建環化反應構建環狀結構的關鍵方法串聯反應一步形成多個鍵的高效策略多組分反應同時引入多個片段的方法6.5立體化學控制1手性輔基法臨時引入手性輔助基團2不對稱催化手性催化劑控制立體選擇性3動力學拆分利用反應速率差異分離對映體4底物控制利用現有手性中心誘導新手性第七章：藥物分子設計與合成7.1藥物設計基本原理先導化合物具有初步活性的起始分子構效關系分子結構與生物活性的關聯分子對接預測藥物與靶點的結合模式7.2常見藥物骨架合成雜環化合物含N、O、S原子的環狀化合物多肽由氨基酸連接形成的生物分子糖類碳水化合物的精準合成雜萜類含氮氧原子的萜類衍生物7.3組合化學組合庫構建系統生成大量結構類似物固相合成在固體載體上進行多步反應高通量篩選快速評估大量化合物活性7.4生物電子等排體經典等排體-F與-H-NH與-O-COOH與-SO?H非經典等排體環狀結構雜環替換環張力改變應用策略提高穩定性改善選擇性優化藥代動力學7.5前藥設計1前藥概念體內轉化為活性藥物的化合物2常用策略酯化、磷酸化、糖基化優勢提高溶解性、穩定性和靶向性第八章：功能材料分子設計與合成3關鍵領域光電材料、傳感材料、能源材料5設計原則結構與性能關系導向9應用產品顯示器、太陽能電池、傳感器8.1有機光電材料OLED材料發光層、電子傳輸層、空穴傳輸層有機太陽能電池電子給體-受體體系高分子發光材料共軛聚合物發光效率8.2有機場效應晶體管材料p型半導體以空穴為載流子的有機材料1n型半導體以電子為載流子的有機材料2兩性半導體可雙極性傳輸的有機材料38.3有機傳感材料熒光傳感分子識別引起熒光變化金屬離子檢測生物分子識別電化學傳感氧化還原特性變化電導率響應電位變化檢測色度傳感肉眼可見顏色變化pH指示劑氣體檢測試紙8.4有機多孔材料COF材料共價有機骨架，輕質高孔隙率MOF材料金屬-有機骨架，高比表面積應用前景氣體分離、催化、能源存儲8.5智能響應材料熱致變色材料溫度變化引起顏色變化光致變色材料光照引起可逆結構轉變電致變色材料電場引起光學性質變化pH響應材料酸堿環境觸發結構轉變第九章：有機合成的現代技術9.1高通量合成技術平行合成同時進行多個反應自動化平臺機器人系統執行反應操作快速分析在線監測和高效表征9.2微反應技術微流控反應器微通道內的精確控制反應液滴微反應器液滴作為獨立微型反應容器優勢特點高效傳熱傳質，精確控制規模放大并聯多個微反應器實現工業化9.3光化學反應可見光催化利用光敏劑活化有機分子光引發自由基生成高活性中間體優勢特點溫和條件，高選擇性綠色特性清潔能源驅動的化學轉化9.4電化學合成電子驅動反應直接利用電子作為試劑2電化學氧化還原陽極氧化和陰極還原綠色化學優勢避免使用化學氧化還原劑9.5人工智能輔助合成機器學習預測預測反應結果和選擇性自動路線規劃算法設計最優合成路線自動化執行機器人系統完成實驗操作總結與展望課程回顧分子結