有机化学与社会课件

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1、有机化学与社会1有机化学与社会化学为人类创造更美好的生活化学为人类创造更美好的生活（Better Life through Chemistry）中国科学院学部成立50周年报告会有机化学与社会2什么是化学？什么是化学？借用一位著名化学家的话：化学就是关于创造借用一位著名化学家的话：化学就是关于创造以前不存在的新物质的科学。这些新物质涵盖以前不存在的新物质的科学。这些新物质涵盖了从塑料到各种农药，药物，对人们的日常生了从塑料到各种农药，药物，对人们的日常生活有着极大的影响。我们现在认为，要不是通活有着极大的影响。我们现在认为，要不是通过化学知识来合成，很多现代化的产品都不会过化学知识来合成，很多现

2、代化的产品都不会存在。存在。 尽管设计和合成新的分子是化学的核心，分析尽管设计和合成新的分子是化学的核心，分析这些新物质以及研究这些反应为什么会发生，这些新物质以及研究这些反应为什么会发生，怎样发生是化学研究的另一重要方面，它揭示怎样发生是化学研究的另一重要方面，它揭示我们周围世界的分子复杂性及其与我们和其它我们周围世界的分子复杂性及其与我们和其它生命有机体的精妙关系。生命有机体的精妙关系。有机化学与社会3对有机化学的通常定义是：对有机化学的通常定义是：有机化学就是关于碳元素及其化合有机化学就是关于碳元素及其化合物的科学，这些化合物被称作有机物的科学，这些化合物被称作有机分子。分子。有机分子是

3、生命体化学大厦的砌块。有机分子是生命体化学大厦的砌块。有机化学与社会4一、有机化学与人类健康1. 合成药物HNSO2NHRR肺炎、脑膜炎、败血症等30年代中后期有机化学与社会5H2NNH2NNSO2NH2SO2NH2H2NGerhard Domagk (1939 Nobel)H2NCOOHPABA有机化学与社会6NNNH2SO2NHOH3CNNNH2SO2NH Sulfalene (Kelfizina)(Antiparasitic) Sulfadizine(Antimalarial)NSO2NHH2N M&B 693 (sulfapyridine)The sulfonamide M&B 693

4、 which cured Winston Churchill of pneumonia.有机化学与社会7OHNH2OHNHCOCH3CH3COOHO OCH3COCCH3,-CH3COOH 4-Aminophenol(p-Aminophenol) N-(4-Hydroxyphenyl)acetamideN-(p-Hydroxyphenyl)acetamide,acetaminophen,TylenolCOOHOHCOOHOCCH3OCH3COCCH3, H+,-CH3COOHO O有机化学与社会8NSCH3CH3OCOOHHHRCONH青霉素2. 抗菌素有机化学与社会9A.Fleming H.

5、FloreyE.ChainR.RobinsonD.Hodgkin R. B. Woodward有机化学与社会10有机化学与社会11NOSHCO2HOCOCH3NCO2HOHNONOSHCO2HThe -lactam ringPenamCephemCarbapenemONHONOHSNHONOHSCO2HOCH3OCH3CO2HPhenoxymethylpenicillin-pencillin VMethicillin有机化学与社会12有机化学与社会13Vancomycin酸的一个有机化学与社会14OHHH3COHHHCCHNorethindroneHOHH3COHHHCCHEthynylest

6、radiolOHH3COHHCCCH3RU-486(mifepristone)NCH3H3C3. 计划生育药物有机化学与社会154. 抗癌药物紫杉醇有机化学与社会16有机化学与社会17NOH3CNHHHHOquininechloroquineNClHNN(C2H5)2NNOHNOHOfebrifugine5. 抗疟药物有机化学与社会18OOOOHCH3HH3CHOCH3青蒿素OOOOHCH3HH3CHOCH3CH3蒿甲醚有机化学与社会19有机化学与社会206. 农药 DDT有机化学与社会21NNHOOOO(S)-thalidomideNNHOOOO(R)-thalidomide反应停反应停：五

7、十年恩怨五十年恩怨7. 手性药物有机化学与社会22手性手性(Chirality)：自然界的基本属性自然界的基本属性手性药物：一把钥匙开一把锁！手性药物：一把钥匙开一把锁！有机化学与社会23vant Hoff (1874) in UtrechtLe Bel (1874) in Parisabcddabc有机化学与社会24手性是宇宙的普遍特征The universe is dissymmetrical; for if the whole of the bodies which compose the solar system were placed before a glass moving wi

8、th their individual movements, the image in the glass could not be superimposed on reality - Life is dominated by dissymmetrical actions. I can foresee that all living species are primordially, in their structure, in their external forms, functions of cosmic dissymmetry. Louis Pasteur, 1822-1895 有机化

9、学与社会25左手性的紫藤和右手性的紫藤左手性的紫藤和右手性的紫藤紫藤茎缠绕的手性特征，与紫藤属不同的种相关。同种紫藤的茎不大可能表现不同的手性缠绕特征。图中所示为紫藤属中左手性的紫藤(Wisteria sinensis),右手性的为多化紫藤(Wisteria floribunda)。有机化学与社会26长瓣兜兰长瓣兜兰 花两侧长瓣的螺旋是左右对称的，右侧是左旋，左侧是右旋。 科学2002,Vol.54, No.55有机化学与社会27 虽然产生这种手性的确切机虽然产生这种手性的确切机理、起源和过程仍是科学上的未解理、起源和过程仍是科学上的未解之谜，但有一点是明确的：这些分之谜，但有一点是明确的：这

10、些分子的作用以至于生命过程均与手性子的作用以至于生命过程均与手性有关。有关。 对映体的不同生理性质是由于对映体的不同生理性质是由于它们的分子的立体结构在生物体内它们的分子的立体结构在生物体内引起不同的分子识别造成的这个现引起不同的分子识别造成的这个现象称为象称为“手性识别手性识别”。这种识别可。这种识别可比喻为手与手套的关系，右手能套比喻为手与手套的关系，右手能套进右手套，而左手就套不进右手套。进右手套，而左手就套不进右手套。有机化学与社会28Scientific American 1990, 98有机化学与社会2920012001年诺贝尔奖：年诺贝尔奖：不对称催化不对称催化有机化学与社会30

11、已用于工业的不对称催化反应公司名称公司名称 金属金属 反应类型反应类型 产物产物 发明人发明人 孟山都 住友 Anic, Enichem T.T. Baker ARCO 高砂 Merck E. Merck 高砂 Rh 氢化 Cu 环丙烷化 Rh 氢化 Ti 环氧化 Ti 环氧化 Rh 重排 B 羰基还原 Mn 环氧化 Ru 氢化 L-Dopa Cilastatin L-苯丙胺酸 Disparlure 缩水甘油 L-薄荷醇 MK-0417 Cromakalim 类药物 Carbapenem 类药物 Knowles Aratani Fiorini Sharpless Sharpless Noyor

12、i Corey Jacobsen Noyori 有机化学与社会31孟山都公司的 L-DOPA路线AcOOMeNHAcCOOHHAcOOMeCOOHHNHAcC6H5PC3H7CH3C6H5PCH3H3COC6H11PCH3H3COPPC6H5C6H5OCH3H3COH2Chiral catalystCatalyst = Rh(COD)L*2+BF4-COD = 1,5-cyclooctadieneL* = chiral phosphine:DIPAMP95% eeCAMP85% eePAMP60% eePMPP28% eeW. S. Knowles, Acc. Chem. Res., 1983

13、, 16, 106-122有机化学与社会32OCH3OONHCOPhOCH3OHONHCOPhOHOHONH2OHNHOOTBDMSNHOOTBDMSNHOOAcNSSNHtBuS Sy yn nt th he es si is s o of f a a C Ca ar rb ba ap pe en ne emm I In nt te er rmme ed di ia at te e: : T Ta ak ka as sa ag go o P Pr ro oc ce es ss sH2 / CH2Cl21) HCl2) Et3NPh3PTBDMSClimidazoleCH3CO3HRuCl3H

14、OAc(R)-TolBINAP-Ru99% ee95% deCarbapenemintermediateS. Akutagawa in Chirality in Industry, (1992)有机化学与社会33不对称环氧化DET = (+) or (-) diethyl tartrateLimited to (homo) allylic alcoholsSynthesis -blockersR1OHHR2R1OHHR2OTBHP / Ti(OiPr)4DET / 4A mol. SieveCH2Cl2 / -20oCee(%)90969895Yield (%)65708950R1, R2H,

15、 HMe, HPh, HH, MeK. B. Sharpless in Catalytic Asymmetric Synthesis, I.Ojima, Ed., VCH, 1993, pp.103-158有机化学与社会34 在生命的产生、演变、进化这样漫长的过程中，自然界造就了许在生命的产生、演变、进化这样漫长的过程中，自然界造就了许多分子，手性分子占去了很大的比例。构成蛋白质的氨基酸都是多分子，手性分子占去了很大的比例。构成蛋白质的氨基酸都是 L 型型氨基酸，多糖和核酸的单糖是氨基酸，多糖和核酸的单糖是 D 型糖。型糖。人们甚至发现，人们甚至发现，1969年坠落在年坠落在澳大利亚默奇森的陨

16、石中的氨基酸也主要是澳大利亚默奇森的陨石中的氨基酸也主要是L 型型的。的。 耐人寻味的是，太阳系的所有天体（包括小行星）都是按照耐人寻味的是，太阳系的所有天体（包括小行星）都是按照右旋右旋方向方向旋转的，称为旋转的，称为右手定则右手定则（李竞李竞：科学时报：科学时报，2001年年11月月25日日）。）。HOHCH3COOHHOHCH3COOHCOOHHOHCH3COOHHCH3HO (-)-乳酸乳酸 (R) (+)-乳酸乳酸 (S) 单一对映体单一对映体 消旋体消旋体 不对称碳原子不对称碳原子有机化学与社会35 在许多情况下，化合物的一对对映体在生物体内的药理活性、代谢过程、代在许多情况下，化

17、合物的一对对映体在生物体内的药理活性、代谢过程、代谢速率及毒性等存在显著的差异。谢速率及毒性等存在显著的差异。 使用单一对映体的必要性使用单一对映体的必要性只有一种对映体具有所要求的药理活性，只有一种对映体具有所要求的药理活性， (+) 或或 (+) 而另一种对映体则没有显著的药理作用；而另一种对映体则没有显著的药理作用； (2) 一对对映体中的两个化合物都有等同的或一对对映体中的两个化合物都有等同的或 (-) 近乎等同的定性和定量的药理活性；近乎等同的定性和定量的药理活性；两种对映体具有定量上等同，但定性上不同的活性；两种对映体具有定量上等同，但定性上不同的活性； (+) 或或 (+)(4)

18、各种对映体具有定量上不同的活性；各种对映体具有定量上不同的活性； (+) 或或 (-) 人体的手性环境和特异的对映体相互作用，导致手性药物对映体药代人体的手性环境和特异的对映体相互作用，导致手性药物对映体药代动力学和药效学的立体选择性动力学和药效学的立体选择性(stereoselectivity) 差异，使临床应用手性差异，使临床应用手性药物出现复杂性。药物出现复杂性。1. 吸收吸收 2. 分布分布 3. 代谢代谢 4. 排泄排泄有机化学与社会36 这种差异的例子很多。治疗哮喘这种差异的例子很多。治疗哮喘病的沙丁胺醇就是一例。它的有效对映病的沙丁胺醇就是一例。它的有效对映体的药理活性要比另一对

19、映体的大体的药理活性要比另一对映体的大80倍。倍。又例如，又例如，L-多巴是治疗帕金森症的药物，多巴是治疗帕金森症的药物，作为作为“前药前药”摄入病人体内，再由体内摄入病人体内，再由体内的酶将多巴转化为具有药理作用的多巴的酶将多巴转化为具有药理作用的多巴胺。由于人体内的酶对该胺。由于人体内的酶对该“前药前药”多巴多巴是专一性的，只有左旋的是专一性的，只有左旋的L-多巴胺被酶多巴胺被酶所转化，因此，服用消旋的多巴的话，所转化，因此，服用消旋的多巴的话，右旋多巴不被酶所转化，日积月累在人右旋多巴不被酶所转化，日积月累在人体内沉淀下来，势必对病人造成新的危体内沉淀下来，势必对病人造成新的危害。如果手

20、性药物的两个对映体的药理害。如果手性药物的两个对映体的药理活性相当，它们的毒副作用无差别，那活性相当，它们的毒副作用无差别，那就没有必要服用单一对映体的药了。就没有必要服用单一对映体的药了。(-)-(R)-沙丁胺醇沙丁胺醇(-)-L-多巴多巴盖替沙星盖替沙星OHOHNHOHOHOHCOOHNH2HNHNNOCOOHOMeMeFOHOHNHOHOHOHCOOHNH2HNHNNOCOOHOMeMeF. 1/2 H2O. 1/2 H2O有机化学与社会37 (Timolol)是已知作用最强的是已知作用最强的b b-肾上腺素受体阻断剂，作用强度为普萘洛尔肾上腺素受体阻断剂，作用强度为普萘洛尔(propr

21、anolol)的的8倍，临床用于治疗高血压、心绞痛、青光眼等。特别对于原发倍，临床用于治疗高血压、心绞痛、青光眼等。特别对于原发性开角型青光眼有良好的效果，优于传统的降眼压药。性开角型青光眼有良好的效果，优于传统的降眼压药。目前临床使用的是目前临床使用的是(S)-(-)-Timolo对映体滴眼液，对于哮喘病人禁用，长期持续使用则会引起较为严重的副对映体滴眼液，对于哮喘病人禁用，长期持续使用则会引起较为严重的副作用甚至致命。作用甚至致命。(R)-(+)-Timolo对映体在动物实验上其对对映体在动物实验上其对b b-肾上腺素受体阻断作用肾上腺素受体阻断作用小于小于(S)-(-)-Timolol对

22、映体，但是在降低眼压方面其作用减少的不多。对映体，但是在降低眼压方面其作用减少的不多。(S)-(-)-Timolol对映体的对映体的b b2受体阻断作用是受体阻断作用是(R)-(+)-Timolol对映体的对映体的49倍，其收缩支气管倍，其收缩支气管的作用是的作用是(R)-(+)-Timolol对映体的对映体的13倍，但其降低眼压的作用仅为倍，但其降低眼压的作用仅为(R)-(+)-Timolol对映体的对映体的4倍。倍。因而因而(R)-(+)-Timolol对映体有可能成为比对映体有可能成为比(S)-(-)-Timolol更更为安全的、更少全身副作用的治疗青光眼的手性药物。为安全的、更少全身副

23、作用的治疗青光眼的手性药物。ONHCH3NONSNOHHCH3CH3 (R)-(+)-Timolol (S)-(-)-TimololONHCH3NONSNOHHCH3CH3有机化学与社会38ONHHOHMeOCOOHMeNSNNHMeOMeMeOMeO.(S)-普萘洛尔普萘洛尔, 98 倍倍(S)-萘普生萘普生, 35 倍倍 (S)-奥美拉唑奥美拉唑OHOHCOOHNH2HNHNNOCOOHOMeMeFNHPOON(CH2CH2Cl)2. 1/2 H2O L-多巴多巴 右异环磷酰胺右异环磷酰胺(dexifosfamide) 盖替沙星盖替沙星 抗肿瘤药抗肿瘤药有机化学与社会39NHCH3ClCl

24、OHNCH3HOHHCOOHOHHCOOHNNNNOOOOHCl.2H2O 盐酸舍曲林盐酸舍曲林 (-)-酒石酸左啡诺酒石酸左啡诺 右旋雷佐生右旋雷佐生 (镇痛剂，比吗啡强镇痛剂，比吗啡强5倍倍) (减轻毒副作用减轻毒副作用) (+)(1R,3S) (-)(1S,3R) Azasetron 罗格列酮罗格列酮 30倍倍 (5HTa 受体拮抗剂受体拮抗剂)NOOCH3NHOClNSNHNNOCH3OONHCH3HClClClTetrahedron Lett., 2002, 43, 4951有机化学与社会40 近年来许多国家的药政部门对手性药物的开发、专利申请及注册，开近年来许多国家的药政部门对手性

25、药物的开发、专利申请及注册，开始作出相应的规定。美国食品与药物管理局始作出相应的规定。美国食品与药物管理局(FDA)在在1992年的政策规定：对年的政策规定：对于含有手性因素的药物倾向于发展单一对映体产品。随后又表示鼓励把已在于含有手性因素的药物倾向于发展单一对映体产品。随后又表示鼓励把已在销售的外消旋药物转化为手性药物称为销售的外消旋药物转化为手性药物称为“手性转换手性转换”；对于申请新的外消旋对于申请新的外消旋药物，则要求对两个对映体都必须提供详细的生理活性和毒理数据，而不得药物，则要求对两个对映体都必须提供详细的生理活性和毒理数据，而不得作为相同物质对待。作为相同物质对待。 据美国据美国

26、C&EN刊物在刊物在1999年的报道，全球单一对映体药物依然持续增年的报道，全球单一对映体药物依然持续增长，年销售亿达到长，年销售亿达到964亿美元。到亿美元。到2000年，年销售额已突破年，年销售额已突破1300亿美元。按亿美元。按1998年的统计。全球最畅销的年的统计。全球最畅销的500种药中，以单一异构体销售的手性药物占种药中，以单一异构体销售的手性药物占一半以上，占其总销售额的一半以上，占其总销售额的52%。有机化学与社会412001年年 手性药物销售手性药物销售1472亿美元亿美元2000年年 手性药物销售手性药物销售1320亿美元，比亿美元，比1999年增加年增加13%1999年年

27、 手性药物销售手性药物销售1170亿美元亿美元1997年年 手性药物销售手性药物销售 910亿美元，亿美元， 比比1996年增加年增加21%1993年年 手性药物销售手性药物销售 356亿美元，亿美元， 比比1992年增加年增加22%1990年年 手性药物销售手性药物销售 180亿美元亿美元1997年全世界年全世界100个热销药物中，个热销药物中，50个是单一对映体个是单一对映体(手性药物手性药物)100 个热销药物个热销药物 852 亿美元亿美元50 个手性药物个手性药物 428 亿美元亿美元 而在而在1993年年 97个热销药中，手性药物占个热销药中，手性药物占 20%有机化学与社会42聚

28、烯烃: 2002年世界产量：8800万吨 2003年中国产量：839.8万吨, 市场消费1579.8万吨聚乙烯: 2002年世界产量： 5000万吨 2002年中国产量: 354万吨, 市场消费809.5万吨中国聚乙烯消费量:3.4千克/人,年世界聚乙烯人均消费量:6.2千克/人,年二、有机化学与材料二、有机化学与材料有机化学与社会4319301940 19501960197019801990Free radical ethylene polymerization 1933Ziegler:metal-catalysed Polymerization 1953Discovery of MAO C

29、atalyst 1978Iron catalysts 1998Nickel DiimineCatalysts 1995Chemistry in Britain 1999,July,23.有机化学与社会44聚合物催化剂 改善了人类的日常生活1953，Ziegler1954，Natta2n CH2=CH-CH3TiCl3/AlEt2Cl()nn H2C=CH2TiCl4/AlEt3()n有机化学与社会45Metallocene Catalyst Ewen&Kaminsky单一催化活性中心催化剂结构控制产品的性能MXX有机化学与社会46NNArArNiXX-(CH2)y-(CH)z-(CH2)xCH

30、3-nOR()nCH-(CH2)y-(CH)z(CH2)xCH2CH2C(O)OR(CH2)wCH3-nM =Ni =PdJ.Am.Chem.Soc.1995,117,6414. J.Am.Chem.Soc. 1996,118,267.J.Am.Chem.Soc.1996,118,4746Organometallics,1997,16,2005J.Am.Chem.Soc.1998,120,888有机化学与社会47R1R2R2R3R4R4MR1R3ClClM=Co =Fe有机化学与社会48有机化学与社会49 of the discovery and application of new cata

31、lysts the coordination and organometallic 有机化学与社会50NH3CF2Cl2CF3CFH2有机化学与社会51F3CClF3C + ClhCl +O3ClO+O2ClO + O2O2 +ClINITIATION STEPPROPAGATION STEPSF.Sherwood Rowland & Mario Molina 1995 Nobel Prize三、有机化学与环境有机化学与社会52有机化学与社会53+ 4 H2O2Na2WO4CH3(C8H17)3NHSO4COOHCOOHNoyori et al.Science 1998,281,1647有机化学与社会54Better Life &Cleaner Environmentthrough Chemistry绿色化学绿色化学