教学课程资源库 更多>>

关键词： 二氧化碳   有机合成   产率预测   机器学习   发光材料   光学性能  

摘要： 温室气体减排成为时代主题之一,对二氧化碳的化学利用迫在眉睫。将二氧化碳作为碳一合成子,通过C-H键的羰基化反应实现一系列有价值的杂环化合物是二氧化碳利用领域中的重要研究方向;另一方面,传统的有机合成的开发需要大量的实验去验证,耗时耗力,而且可能存在危险性等问题,而通过机器学习模型可以从过去积累的数据中挖掘出规律、预测其趋势,不仅省时省力,还能有效降低对化学专业知识人才的依赖。本论文针对化学实验室积累的一系列二氧化碳作为羰基源参与的杂环化合物的合成的研究,通过探索一套建模框架,以机器学习方法挖掘反应规律建立相关反应收率预测体系,并以之辅助材料的合成。具体有以下两方面的内容。一、机器学习应用于二氧化碳作为羰基源参与的杂环化合物的合成产率的预测。本部分主要对产率预测进行探索(回归和分类模型),同时对多种模型之间进行比较,对模型超参数进行优化。此外针对1.杂环类化合物合成的反应信息的采集和对特征的提取目前还没有成熟的方法;2.该类反应的样本量较小,不利于对模型的构建等问题,本研究也做了相关的处理,如所使用的数据集既有来自发表文献的公开报道,又有来自实验记录的相应的试验,以补充数据集的分布,特别是低产率的反应。最终研究收集192个反应样本,并基于分子描述符、Rdkit工具包来提取分子特征,共计1837维和由独热编码计算特征2048维。另外相较于传统仅对训练集和测试集进行一次随机划分,本研究对所有建模预测所用样本皆进行随机100次划分,通过预测指标的平均值来衡量模型结果。结果显示,产率预测回归模型的决定系数R最大值为0.43。在两类预测模型中,支持向量机模型都表现出了对该数据集的最好的适用性,而随机森林模型的表现次之。二、在建立预测模型后,设计了一类发光材料分子,并通过预测模型预测了反应的收率的同时,也在实验中对预测结果进行了对比,同时也对合成的材料分子进行了光学性能的表征(包括结构表征、吸收光谱、发射光谱等),从吸收发射结果来看,该分子有一定的光学性能,有可能在未来的发光器件中得到应用。通过本研究发现,反应机制有所差异的有机合成反应类型中,以上述反应来提取数据特征的方式建立n维化学反应空间,用适合的算法模型依然能够较好地挖掘该类反应产率的定性关系,为以后对有机合成产率预测模型的构建和训练打下了良好的基础。

关键词： 有机合成   光电材料   吩嗪衍生物   光学性质调控  

摘要： 吩嗪是一种具有刚性平面的氮杂并苯类衍生物,它具有较多优良的物理特性,例如发光性能、导电性能、氧化还原活性以及稳定性,在光电功能材料的设计中,它成为最具吸引力的构筑单元之一。它可以引入多种官能团或与金属离子结合,进而生成具有独特光电性质的功能材料。不同取代基的引入或相同取代基引入不同位置可形成一系列光学性质可调的吩嗪衍生物。本论文主要合成了一系列新型的吩嗪衍生物,通过改变吩嗪取代基的供电性和取代基位置,并表征了这些衍生物的发光性能,进而研究取代基的电子效应和取代位置对吩嗪的堆积状态和光电性能的影响规律;通过改变吩嗪衍生物所处的外界环境,来研究分子间的非共价键相互作用影响吩嗪衍生物发光的规律。本课题的科研思路:1、合成并表征新型吩嗪衍生物合成一系列带有不同修饰基团的吩嗪衍生物,通过改变取代基供电性和取代位置来调节吩嗪骨架的轨道能级和电子结构,进而调节分子的发光性质,本论文设计了6种不同二取代位点骨架(1,4-、1,5-、1,6-、1,8-、2,3-、2,6-、)和两种修饰基团(苯基和4-正己氧基苯基),共计合成了12种不同的吩嗪衍生物,并对这一系列分子进行了核磁共振氢谱、核磁共振碳谱、质谱、单晶等结构表征,以及紫外吸收光谱、荧光光谱、量子产率及寿命等光学性能表征。通过对其光学性质分析,找到取代基的供电性和取代位置对发光性质的影响规律,同时获得发光效率较高的吩嗪衍生物。液体荧光中1,4-位吩嗪衍生物具有很强的荧光发射强度;固体荧光中2,6-位具有很强的荧光发射强度。并且,其中1,4-dhpp的液体荧光量子产率高达62.84%。在同一位置两种取代基进行比较,4-正己氧基苯基化合物的荧光发射强度强于苯基取代物。通过光学性质分析,发现苯基取代的吩嗪衍生物具有聚集诱导荧光增强(AIE)效应,己氧基苯取代的吩嗪衍生物具有聚集荧光猝灭(ACQ)效应。2、探究吩嗪类分子发光性质的影响因素通过改变分子间非共价键相互作用来调控吩嗪衍生物分子的发光性质:1)溶剂的影响,苯基吩嗪衍生物表现出明显的溶致变色效应,其发光颜色随溶剂极性增加发生明显改变;2)有机酸的影响,吩嗪衍生物作为氢键受体与有机酸形成氢键,进而影响其发光颜色,随着有机酸酸性的增强,其发光波长逐渐红移;3)多孔硅胶负载物的影响,硅胶的微孔结构会影响吩嗪衍生物的堆积,吩嗪衍生物负载到硅胶上发光波长均红移,不同目数硅胶(100目、200目、300目)对吩嗪衍生物光学性质的影响不同;4)混合调控,将两个具有不同发光波长的吩嗪衍生物分子混合,研究两者摩尔比对混合溶液发光的影响规律。通过以上对吩嗪衍生物的光学性质调控研究得到以下结果:1)产物2,6-dpp的DCM溶液与三氟乙酸稀溶液混合发光CIE坐标为(0.33,0.37),为白光坐标;2)产物1,8-dpp与300目硅胶复合物的发光CIE坐标为(0.30,0.34),为白光坐标。以上研究结果说明吩嗪衍生物的光学性能可通过改变修饰基团的供电性和取代位置进行调控,其光学性能对外界环境的变化很敏感,且发光波长变化明显,可用于荧光传感器的研发。

关键词： 叔胺   叔酰胺   可见光催化   有机合成  

摘要： 叔胺的衍生化是一种有吸引力的重要有机转化，因为叔胺和叔酰胺结构广泛存在于天然产物、药物、农药合成中间体中。本论文研究了叔胺N-αC–H选择性官能化，构建了一系列N-α烷基化、酰基化、芳基化的叔胺和各种骨架的叔酰胺。　　首先，在无光催化剂、无金属作用下，实现了惰性 C(sp3)–H (α-氧，α-硫代，α-氨基、苄基、烯丙基和环烷基）和C(sp2)–H（酰基）与叔胺的N-αC(sp3)–H的交叉脱氢偶联，以良好区域选择性和产率构建了一系列N-α烷基化、酰基化、芳基化的叔胺。机理研究表明，可见光促进EDA配合物的光解，原位生成的苯基自由基引发了分子间HAT过程，并且HAT过程既是该反应的产物决定步骤，也是决速步骤。　　其次，以氧气作为氧化剂，在可见光介导下实现了叔胺区域选择性氧化为叔酰胺。各种骨架的叔胺选择性氧化，生物碱 Julolidine 顺利地衍生化为酰胺，对吲哚布洛芬的快速合成以及放大实验证明了该方法的实用性。机理研究表明，可见光促进 EDA 配合物光解以产生N-α自由基，再与氧气加成消除以获得酰胺。

关键词： Lead compounds  

摘要： Synthetic organic chemistry is a core technology of drug discovery, but combined with in silico technology which consists of molecular modeling and/or informatics using computational methods, it can be expected to accelerate drug discovery research and increase the success rate for developing a new drug. However, in silico technology cannot create new drugs by itself, and its integration with organic chemistry is necessary. In this paper, we describe drug discovery research that effectively integrates organic chemistry and in silico technology to develop synthetic strategies and efficiently create a novel lead compound or in vivo tool. 　The first study is a drug discovery research for renin inhibitors. We applied a fragment─based approach to discover high─quality hit compounds through comprehensive analysis of virtual library and high throughput library synthesis. The subsequent rational structure─based drug design approach focusing on hotspots enhanced the renin inhibitory activity dramatically and then discovered a novel lead compound with moderate bioavailability in rats. The second study is a drug discovery research for O─GlcNAcase (OGA) inhibitors. We identified a potent compound by virtual screening and optimized the hit chemical series utilizing a docking model, pocket analysis, and molecular dynamics (MD) to improve ligand lipophilicity efficiency (LLE), which resulted in a novel OGA inhibitor demonstrating the increase of O─GlcNAcylated protein level in cells with suitable pharmaceutical properties and brain permeability. These studies provided not only high─quality lead compounds but also essential information that can be used to strategically promote drug discovery research to both synthetic organic chemists and computational chemists. © 2023 Society of Synthetic Organic Chemistry. All rights reserved.

关键词： β-咔啉   抑菌活性   有机合成   构效关系  

摘要： β-咔啉是从骆驼蓬(Peganum harmala L.)的种子中分离得到的生物碱,结构简单,数量众多,在植物、海洋生物、动物,甚至人体的组织和血液中均有分布。β-咔啉类化合物是一类重要的生物活性物质,具有较强的抗病菌活性。因此,以该结构为先导化合物开发出具有抑菌活性的新型植物源农药具有重要意义。本论文以课题组前期研究的三环吲哚类化合物为基础,对β-咔啉的3位和9位进行了结构修饰,设计合成了22个β-咔啉类衍生物,并对合成的化合物进行了体外抑菌活性测试,阐明构效关系,得到高效的抑菌活性化合物,为新型植物源农药的研发打下基础。主要成果如下:1.本论文以D-色氨酸为原料,通过Pictet-Spengler反应、还原反应和氧化反应合成了β-咔啉骨架,在β-咔啉化合物的3位引入醛基或恶唑,再经过亲核取代反应在9位引入不同取代基,合成了2个系列共22个化合物。所合成的化合物结构通过H-NMR、C-NMR和ESI-MS予以确认,其中化合物Y采用单晶X射线衍射确认了结构。2.本论文采用菌丝生长速率法测定了化合物在浓度为30 mg/L时对油菜菌核病菌(Sclerotinia sclerotiorum)、番茄灰霉病菌(Botrytis cinerea)、小麦赤霉病菌(Fusarium graminearum)、辣椒疫霉病菌(Phytophthora Capsici)和水稻恶苗病菌(Fusarium fujik uroi)5种植物病原真菌的体外抑真菌活性。结果表明,所有化合物均表现出了一定的抑制活性,选择其中抑真菌活性优异的化合物进行半数有效浓度(EC)的测定。化合物T、T、T和T对于所测的植物病原真菌抑制效果最佳,其中化合物T、T和T对于番茄灰霉病菌的EC值分别为42.08 mg/L、29.35 mg/L和26.21 mg/L,优于阳性对照多菌灵的EC值43.88 mg/L。化合物T、T、T和T对于油菜菌核病菌的EC值分别为44.65 mg/L、31.65 mg/L、54.42 mg/L和24.05 mg/L,略低于阳性对照多菌灵。化合物T对于小麦赤霉病菌的EC值为35.91 mg/L,化合物T和T对于水稻恶苗病菌的EC值分别为36.50 mg/L和50.02 mg/L。3.通过对化合物构效关系研究发现,化合物β-咔啉3位上引入恶唑基团的活性优于引入醛基,然后在9位上引入苄基取代基,发现吸电子取代基团会比供电子取代基对活性的影响更大,更有利于提高植物病原真菌的抑制效果。整体上看,高活性化合物T、T、T和T这4个化合物具有被开发为新型农药抑菌剂的潜力,可以作为候选化合物进一步进行抑菌活性研究。综上所述,本论文通过对β-咔啉3位和9位进行不同的结构修饰,得到22个具有抑菌活性化合物,丰富了β-咔啉类化合物的分子库,测定了其体外抑菌活性并考察了化合物的构效关系,为β-咔啉类抑菌活性化合物的设计合成及应用提供了理论基础。

关键词： 共轭分子   半导体材料   有机场效应晶体管   氢键   有机合成  

摘要： 高载流子迁移率的有机半导体材料是光电材料研究最重要的方向之一。由于其溶液加工性好、可制备的器件面积大以及精细化化学修饰简单等特点,有机半导体材料是传统硅基、砷化镓基等无机半导体材料最有潜力的替代方案。而在有机半导体材料中,有机场效应晶体管是最重要的元器件,能够广泛应用于柔性显示、传感器、射频识别以及柔性电子皮肤等诸多领域。然而,现有的材料依然面临着诸多阻碍其进一步应用的缺陷,如:载流子迁移率低、设备稳定性差等问题。因此,有必要对新型给-受体材料的设计与合成及其在有机场效应晶体管中的性能改善做进一步的深入研究。在本论文中,我们通过对共轭分子的结构精细设计和合成,得到了一系列应用于有机场效应晶体管的给-受体结构分子。以这类分子为半导体层制备的有机场效应晶体管器件均获得了优异的性能,为未来有机半导体分子的设计和制备提供了实际的方案以及可行的理论依据。在正文第二章中,我们设计并合成了一种新型给体与受体交替结合的共轭聚合物PQ1。这种聚合物是通过钯催化的Stille偶联将缺电子单元喹喔啉和富电子单元茚并二噻吩（IDT）共聚得到的。得到的聚合物PQ1表现出明显的分子内电荷转移效应,并获得了良好的固体薄膜聚集特性。最终,以PQ1为有机半导体层制备的有机场效应晶体管获得了0.12 cm V s的载流子迁移率。在正文第三章中,我们将氢键的概念引入到对DPP-咔唑共聚物骨架π-π堆叠能力的提升中。研究发现,在经历过退火过程后,共轭聚合物通过胸腺嘧啶提供的分子间的氢键作用力实现了一种类交联结构,这极大地促进了主链的自组装能力。通过这种增强的分子间作用,含有胸腺嘧啶基团的聚合物P2获得了较原先5倍的载流子迁移率。然而,作为对比,未引入胸腺嘧啶单元的聚合物即便经历退火也并没有表现显著增强的分子间π-π堆积。

关键词： 有机合成   苯并噻二唑   荧光探针   脂滴   生物成像  

摘要： 随着生物技术的不断发展和应用,荧光探针日益受到人们的关注和重视。有机荧光探针是一类以有机化合物为基础设计制备的荧光探针,其具有较好的生物相容性、灵敏度和选择性等优点,在生命科学研究及临床诊断中具有广泛的应用前景。荧光探针作为一类新型的生命科学工具和传感器,在医学、环境检测以及其他领域均具有广阔的应用前景。随着对其设计制备原理和性能机理的不断深入研究及优化,相信荧光探针的应用前景将越来越广阔。苯并噻二唑衍生物是一类重要的有机化合物,其在药物、材料科学、荧光染料等领域具有广泛的应用。苯并噻二唑衍生物具有良好的药理活性,在药物领域,它们被广泛地作为抗癌、消炎、抗菌等药物原料使用。例如,在抗癌方面,某些苯并噻二唑衍生物能够诱导肿瘤细胞凋亡和阻碍恶性肿瘤细胞增殖,被视为潜在的抗癌药物候选者。同时,这类化合物还可以作为光敏剂、荧光探针等应用在生命科学中,例如用于荧光显微镜的染料。苯并噻二唑衍生物的应用不仅限于医药领域,它们还具有广泛的应用前景。例如,在材料科学领域,苯并噻二唑衍生物可以作为有机半导体材料用于制备有机场效应晶体管、有机太阳能电池等电子器件。同时,由于其在溶液中呈现出良好的荧光性能,苯并噻二唑衍生物也被广泛地应用于生物成像和化学传感器中。目前,生物成像技术已经广泛应用于医学研究、生命科学以及医疗诊断等领域。而脂滴在这些领域中也扮演着非常重要的角色,它们不仅参与到脂质代谢过程中,还可在脂肪肝、心血管疾病等多种疾病的诊断和治疗中发挥作用。因此,开发一种高效、准确的检测脂滴的方法对于生命科学与医学领域具有非常重要的意义。本篇论文基于苯并噻二唑为母体,合成多种用于脂滴检测的荧光探针,并进行光物理测试及生物成像测试。本论文的主要内容如下:(1)开发出一种新的Heck偶联策略,制备了具有π-扩展结构的BTD衍生物。该反应条件温和,产率高,并在底物衍生化方面表现优异。使用化合物3h与PEG制备了靶向LDs的聚合荧光探针PEG-BTDAr,具有选择性高、稳定性好且能够靶向脂滴进行细胞成像。PEG-BTDAr可以通过双通道成像用于区分活细胞和死细胞,具有显著的生物成像潜力,是一种有效的生物诊断工具。(2)设计合成了一种D-π-A结构的荧光探针BTD-Lyso,具有大斯托克斯位移、同时靶向脂滴和溶酶体的能力。该探针表现出良好的选择性、稳定性和生物相容性,并能在细胞成像中实现靶向标记。相较于商业染料,该探针突破了染料只能标记一个亚细胞器的限制。这种探针是研究细胞内LDs和溶酶体关系的可靠化学工具。(3)成功合成了硒代苯并噻二唑衍生物,并评估了带有脂滴靶向识别位点的BDS-LDs作为荧光探针在细胞共定位成像中的性能。该探针表现出较高的灵敏性、大斯托克斯位移、良好的选择性、稳定性强、不对黏度响应和良好的生物相容性。实验结果表明,该探针与BODIPY 493/503染料的皮尔逊系数达到98%。综上所述,这种新型荧光探针具有理想的光物理特性和良好的细胞成像性能,并可能被广泛应用于研究细胞内脂滴与相关疾病之间的关联。

关键词： 电化学   有机合成   磷酰胺   交叉脱氢偶联  

摘要： 有机电化学合成是运用电化学方法进行有机合成的技术,是通过有机物在电极或溶液中的电子转移,来实现旧键断裂和新键形成的过程。由于生态环境的恶化较为严重,寻求更为绿色、环保的有机合成手段就显得尤为重要。相较于传统的过渡金属催化以及过氧化物氧化合成方法来说,电化学合成方法有效地避免了催化剂以及化学计量氧化剂的使用,不但使得反应条件变得更为温和,而且避免了很多副产物的生成,极大地提高了反应的原子利用率。同时,电化学方法可以利用较为廉价的且可以重复多次使用的电极片代替昂贵的过渡金属催化剂的使用,降低了实验成本。另一方面,电化学合成方法避免了底物的预功能化过程,常常进行一锅法反应就能得到较高的产率,并且电化学方法可以通过调控外部电流的方式来控制反应进行的速率或程度,相较于传统的合成方法来说,操作更为简单、便捷、安全。本文主要对氧膦与芳基胺之间的交叉脱氢偶联磷酰胺化反应进行了研究。实现了一种无需过氧化物氧化、过渡金属催化的绿色、清洁的电化学磷酰胺合成方法,所得产物可应用于天然产物合成、配体合成等领域。同时,该合成方法还具有反应条件温和、底物范围广、原子经济性高等优势,并填补了电化学领域中,芳基氧膦与伯胺之间脱氢偶联反应的空白。最后,通过控制实验以及循环伏安法的测试,对反应机理进行了合理猜想及验证,而且实现了反应克级规模的放大,产率仍可高达84%。该课题实现了一种绿色的磷酰胺合成手段,共完成34种底物的拓展,所得底物收率最高可达98%,对电化学方法合成磷酰胺这一领域具有重要意义。

关键词： 有机合成   电化学   菲类化合物   磺酰化  

摘要： 菲类化合物是重要的多环芳烃（PAHs）骨架之一,广泛应用于生物医药合成、光电有机添加剂和功能性有机材料等领域。此外,菲类化合物因自身特殊的结构,可以作为合成多种高附加值化工产品的关键中间体。但是由于复杂的合成路线,有些合成过程不仅需要贵金属催化剂对底物进行活化,还需要苛刻的反应条件（如高温、无水无氧等）,甚至还需要加入过量氧化剂。因此,开发一种简易高效、绿色经济、并且具有高区域选择性的合成策略来构建功能性菲类化合物是当前迫切需要的。有机电化学作为近几年来热门的合成策略,是一种通用和实用的方法,引起了科研工作者极大的关注。电化学合成建立在绿色电流的基础上,屏蔽了危险和有毒的化学氧化剂和还原剂。有机电化学合成具有效率高、成本低、操作简易、绿色环保等特点,在学术和工业领域都取得了显著的成就。本文探索了一种实用的、无氧化剂的直接氧化环化合成磺酰化菲类化合物的新方法。使用二芳基内炔与苯磺酰肼反应,在~nBuNBF作为电解质,六氟异丙醇/1,2-二氯乙烷作为混合溶剂,石墨毡阳极和铂阴极,恒定电流4 m A、在N气氛下、60℃反应5小时。利用该合成方法,成功合成了33个γ位二取代的菲类化合物,并且完成了十克级放大实验和产物的衍生实验,验证了该反应的实用性。通过密度泛函理论计算和循环伏安曲线测试以及反应机理控制实验,提出了该过程中电化学催化下可能的反应机理。体系中利用芳基磺酰肼生成自由基,进而进攻二芳基内炔,得到烯基自由基,经过一系列的环化氧化,生成最终产物γ位二取代的菲类化合物。相较于传统的金属催化合成菲类化合物的方法,该体系反应过程中不需要添加任何金属催化剂和氧化剂,并且副产物是氮气和氢气,对环境友好,原子利用率高。到目前为止,这是第一个通过电化学策略利用二芳基内炔环化构建磺酰化菲类化合物的新方法。

关键词： 异相光催化   光催化合成   流动化学   反应动力学   光催化膜  

摘要： 光催化技术能够以太阳光或人造光源在常温、常压下实现选择性氧化还原、卤化、偶联和环加成等重要有机反应,是一种绿色、可持续的有机合成替代方案。然而,传统釜式反应器因有限的光穿透深度无法实现规模化的异相光催化合成。流动相微反应器具有最优的吸光和混合效率,结合催化剂固定策略还可以避免分离步骤,但仍存在反应效率差、固体堵塞、制造成本高昂和操作复杂等问题。因此,有必要设计开发一种兼顾效率、成本及扩展性的异相光催化反应系统,以实现规模化光催化有机合成。本论文开发了一种模块化设计的管式流动相反应系统,其内置可更换的多孔光催化膜,能在循环流和连续流模式下,以高转化率和高选择性实现光催化C-C、C-N偶联和加氢反应。具体工作如下:1.采用涂覆法制备了光催化薄膜并装填入管式流动相反应系统中,进行了C-C偶联、C-N偶联和氢化反应。具有多孔结构的光催化膜不仅能有效吸收入射光,还能促进物质传输过程,充分利用光催化剂活性位点,使光催化反应以零级反应动力学进行。2.长时间连续运行验证了光催化膜性能和结构的稳定性。该流动相光催化反应系统可适用于多种应用模式,不仅能在循环流和连续流模式下运行,还可以实现太阳光驱动的光催化有机合成。