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全合成

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全合成（英語：Total synthesis）是有機合成的一類，指用市場上能買到的前驅物原料，再通過完整的化學合成得到複雜的分子，合成後的產物通常為天然產物[1][2][3][4] 。它通常指不涉及生物輔助的過程，這與半合成不同。合成有時可能會在具有進一步已知的目標分子合成途徑的前體處結束，在這種情況下，它被稱為正式合成。 全合成目標分子可以是天然產物、藥用重要活性成分、已知中間體或理論感興趣的分子。 全合成目標也可以是有機金屬的或無機的[5][6]，儘管很少遇到。 全合成項目通常需要多種反應和試劑，因此需要廣泛的化學知識和培訓才能成功。

通常，目的是為已經存在已知途徑的目標分子發現新的合成途徑。 然而，有時並不存在路線，化學家希望首次找到可行的路線。 全合成對於發現新的化學反應和新的化學試劑以及建立重要藥用化合物的合成路線尤其重要[7]。

範圍和定義

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術語「全合成」是比較不頻繁的，但仍準確的應用於天然的多肽和多核苷酸的合成。 例如，肽激素催產素和血管加壓素被分離，並於它們的全合成於1954年被首次報道[8]。

全合成這個詞是由伍德沃德首先提出來的。全合成背後的哲學基礎是還原論。

歷史

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維生素B12全合成: 逆合成分析。 Analysis of the Woodward–Eschenmoser total synthesis that was reported in two variants by these groups in 1972. The work involved more than 100 PhD trainees and postdoctoral fellows from 19 different nations. The retrosynthesis presents the disassembly of the target vitamin in a manner that makes chemical sense for its eventual forward construction. The target, Vitamin B12 (I), is envisioned being prepared by the simple addition of its tail, which had earlier been shown to be feasible. The needed precursor, cobyric acid (II), then becomes the target and constitutes the "corrin core" of the vitamin, and its preparation was envisaged to be possible via two pieces, a "western" part copses of the A and D rings (III) and an "eastern" part composed of the B and C rings (IV). The restrosynthetic analysis then envisions the starting materials required to make these two complex parts, the yet complex molecules V–VIII.

弗里德里希·維勒（Friedrich Wöhler）在1828年發現可以從無機原料中生產有機物質尿素。這是化學上重要的概念里程碑，因為它是僅被認為是生命過程副產物的物質合成的第一個實例[2]。 維勒通過用氯化銨處理氰酸銀來獲得尿素，這是一種簡單的一步合成方法：

AgNCO + NH4Cl → (NH2)2CO + AgCl

美國化學家羅伯特·伯恩斯·伍德沃德（Robert Burns Woodward）是開發複雜有機分子的全合成過程中的傑出人物，他的一些研究對象是膽固醇，可的松，硬脂精，麥角酸，利血平，葉綠素，秋水仙鹼，維生素B12，和前列腺素F-2a[2]。

文森特·迪維尼奧(Vincent du Vigneaud)因天然多肽催產素和血管加壓素的完全合成而獲得了1955年的諾貝爾化學獎，該文獻在1954年被引用為「他對生物化學重要的硫化合物的研究，特別是首次合成多肽激素的研究」[9]。

另一位有天賦的化學家是艾里亞斯·詹姆斯·科里(Elias James Corey)，他在1990年獲得了諾貝爾化學獎，以其在全合成中的終生成就和逆合成分析的發展而獲得。

概述

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全合成其實就是有機合成的一個分支，其產生和發展都是服務於社會的需求；試圖通過簡單易得的原材料，通過化學反應，來獲得某種有用的、結構複雜又難以用其他途徑獲得的化合物。全合成的原料通常是容易從自然界中取得的化學物質，如糖類、石油化工產品等；而目標分子通常是具有特定藥效的天然產物，或在理論上有意義的分子。全合成的發展往往會影響到有機化學的實踐和理論以及藥物研究的發展，等等。全合成的發展有時也對社會倫理產生深遠影響（如避孕藥的發明對性倫理的影響）。

分類

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全合成根據工作的獨立性可以分為「全合成(total synthesis)」、「半全合成(semi total synthesis)」、「表全合成(formal total synthesis)」三類。

  • 全合成

技術含量最高的全合成（往往也是成本最高的）。從原料開始到最終產物的製備和反應路線全部都是由一個科研組獨立設計完成的。

  • 半全合成

從自然界提取得到關鍵中間體，然後通過後續的化學修飾完成的全合成稱為半全合成。比如很多甾醇類激素都是用從薯蕷里提取的薯蕷皂甙做原料合成的。再比如工業化的紫杉醇生產也是通過半全合成得到的。

  • 表全合成

又叫接力全合成（relayed total synthesis）。指反應路線有一部分是完全拷貝他人以及完成的工作而實現的全合成。比如伍德沃德的奎寧全合成也屬於表全合成。因為他的合成到奎寧毒素就停止了；而從奎寧毒素到奎寧的轉換在此之前已經被德國人拉貝實現。

今日概貌

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當今全合成的意義，早已超過了以前為了驗證生物活性或化學結構的目的，而已經成了試驗和推廣新化學反應，和展示合成有機化學的精妙之處的場地。全合成的發展常會激勵新機理、新催化劑和新技術的誕生。全合成中綜合了很多有機反應的技巧，需要化學家對有機反應的熟練運用及相當程度的智慧。

當代全合成工作看重方法的創新，具體講又集中於新反應的開發和利用。一個方法上沒有新意的全合成很難獲得學術界的注意和認同。

重要事件

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人物

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  • 弗里德里希·維勒，有機化學之父
  • 李比希，有機定量分析之父
  • 伍德沃德，開創了一個新時代的大師。
  • 艾里亞斯·詹姆斯·科里，把有機合成請下神壇的人物。歸納並系統化了有機合成方法，提出逆合成分析理論。開創並倡導了計算機輔助合成設計，與人合作將計算機圖形處理技術引入有機化學信息系統管理。後來導致了ChemDraw、Scifinder等的出現。
  • 吉爾伯特·斯托克，合成界的元老，常青樹。富有創造力，教書育人，也培養了大量人才。
  • 阿爾伯特·艾申莫瑟，有機化學大師。在合成理論和方法方面頗有建樹，是有機界少有的具有哲學思維的人物。晚年研究生命的化學起源。

重要著作

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  • 第一本通過個案講解全合成的書是1970年由印度化學家蘇布拉滿尼亞·蘭迦南坦（Subramania Ranganathan，伍德沃德的大弟子之一，印度有機界長老級人物）著的《全合成的藝術》（Art of Total Synthesis）； 1988年出版第二版。
  • 1973年伍德沃德的另一個博士後研究生，劍橋大學的伊安·弗萊明（Ian Fleming）採用相似的風格寫了《全合成精選》（Selected Organic Syntheses）一書。
  • 1996年斯克里普斯研究所（Scripps）的科·西·尼古勞出版了一本《全合成中的經典》（Classics in Total Synthesis），收錄了1950年代到1990年代40年中的經典合成。
  • 2003年尼古勞又出版了續集《全合成中的經典Ⅱ》。第二本書與第一本相比，大篇幅地收錄了著者自己的工作。

這些著作集中了很多重要反應，方便了他人的學習。對合成科學的教育起到了很大的作用。

參考資料

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  1. ^ Archived copy. [2015-08-22]. （原始內容存檔於2014-12-20）.  |url-status=和|dead-url=只需其一 (幫助)
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 K. C. Nicolaou; D. Vourloumis; N. Winssinger and P. S. Baran. The Art and Science of Total Synthesis at the Dawn of the Twenty-First Century (PDF). Angewandte Chemie International Edition. 2000, 39 (1): 44–122 [2020-06-25]. PMID 10649349. doi:10.1002/(SICI)1521-3773(20000103)39:1<44::AID-ANIE44>3.0.CO;2-L. （原始內容 (reprint)存檔於2017-05-17）. 
  3. ^ Nicolaou, K. C. & Sorensen, E. J. 1996, Classics in Total Synthesis: Targets, Strategies, Methods, New York:John Wiley & Sons, ISBN 978-3-527-29231-8
  4. ^ Nicolaou, K. C. & Snyder, S. A., 2003, Classics in Total Synthesis II: More Targets, Strategies, Methods, New York:John Wiley & Sons, ISBN 978-3-527-30684-8
  5. ^ Schaak, Raymond. Emerging Strategies for the Total Synthesis of Inorganic Nanostructures. Angewandte Chemie International Edition. 22 April 2013, 52 (24): 6154–6178 [15 July 2021]. PMID 23610005. doi:10.1002/anie.201207240. （原始內容存檔於2023-12-10）. 
  6. ^ Woodward, R. B. Versuche zur Synthese des Vitamins B12. Angewandte Chemie. 1963, 75 (18): 871–872. Bibcode:1963AngCh..75..871W. doi:10.1002/ange.19630751827. 
  7. ^ Discovery of Novel Synthetic Methodologies and Reagents during Natural Product Synthesis in the Post-Palytoxin Era Ahlam M. Armaly, Yvonne C. DePorre, Emilia J. Groso, Paul S. Riehl, and Corinna S. Schindler Chem. Rev., Article ASAP doi:10.1021/acs.chemrev.5b00034
  8. ^ du Vigneaud V, Ressler C, Swan JM, Roberts CW, Katsoyannis PG. The Synthesis of Oxytocin. Journal of the American Chemical Society. 1954, 76 (12): 3115–3121. doi:10.1021/ja01641a004. 
  9. ^ The Nobel Prize in Chemistry 1955. Nobelprize.org. Nobel Media AB. [17 November 2016]. （原始內容存檔於2018-12-26）. 

外部連結

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