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收敛性合成

化学合成(特别是有机合成)中,收敛性合成是一种可以增进多步骤合成的效率之策略,经常应用于复杂分子的全合成。收敛性合成的主要精神是分别合成目标分子不同的部分然后再将他们组合起来,如此一来可以得到较佳的总产率,也可以减少过程中溶剂、化学试剂以及管柱用硅胶的使用。

和线性合成的比较

总产率

一般的线性合成中,总产率会随着步骤数的增加而急遽递减。例如在以下的假想合成步骤中:

A → M → N → O → P

假定每一步的产率都是50%,那么四个步骤之后的总产率就是6%。

但在收敛性合成中:

A → A1 (50%)
B → B1 → B2 (25%)
A1 + B2 → P (50%)

总产率是较佳的12%(最长的线性合成,也就是 B → B1 → B2 → P)。

起始物质量

从所需起始物的重量来看:

A → M → N → O → P

假定A的分子量是100 g/mol,而经过每一步骤分子量增加20%,也就是说P的分子量是207 g/mol。若我们最终想得到1克的P,考虑每一步都是50%的产率之后,我们就需要大约7.7克的起始物A。

另一方面若是采用收敛性合成的策略:

A → A1
B → B1 → B2
A1 + B2 → P

同样地假定合成A1及B2中的每一步骤分子量增加20%(也就是说B2分子量大约为87 g/mol,而B的分子量大约是60 g/mol),纳入产率的因素之后,要产生1克的P,我们所需要的起始物就大概是1.9克的A和2.3克的B,也就是总共4.2克的起始物,较线性合成中的7.7克减少了许多。

溶剂以及硅胶的使用

考虑溶剂以及硅胶的使用(假定每一步骤中,每克起始物均使用10毫升的溶剂和20克的硅胶):

A → M → N → O → P

在线性合成中,若要得到1克的P,我们需要使用大约168毫升的溶剂及336克的硅胶。

而在收敛性合成中:

A → A1
B → B1 → B2
A1 + B2 → P

同样要得到1克的产物P,溶剂的使用量减少至约75毫升,而硅胶的使用量则减少至150克。

在真实的合成计划中,实际的情形可能会因为合成路径的设计、目标分子的特征或是不同试剂的使用,而与上述理想化计算有所差异。但是大体上来说,收敛性合成都是较具优势,而且上述种种优势亦会随着步骤数的增加而放大。

范例

  • 在树状聚合体的合成中,分枝(预先设定好的世代层数)一个个地接上核心部分。
  • 在Biyouyanagin A的全合成最后一个步骤中,借由光化学 [2+2] 环加成反应将两个预先合成的分子拼凑而成最终目标分子。:
Biyouyanagin A 全合成的最后一个步骤

参考资料

  1. ^ Convergent Synthesis of Internally Branched PAMAM Dendrimers Michael Pittelkow, Jrn B. Christensen Org. Lett., 7 (7), 1295 -1298, 2005
  2. ^ Total Synthesis and Revised Structure of Biyouyanagin A K. C. Nicolaou, David Sarlah, and David M. Shaw Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 4708 –4711 doi:10.1002/anie.200701552

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