探秘有机合成

jason

本期关键词：有机化学

“十二五”规划中指出，未来五年将是化工行业发展的重要战略机遇期，将着力调整结构，重点发展化工新材料、生物化工、专用化学品等新兴产业，因此近年来报考有机化学类专业的同学也有增无减。在大众的眼中，它是一门略带神秘的学科。想对此有更清晰明确的认识，不妨从有机化学相关专业的师生故事中深入了解一下吧。

2011年，我正式成为山东大学有机合成专业的研究生。有机合成是有机化学的分支之一，学习课程主要有《高等有机化学》、《有机催化导论》、《有机化合物光谱分析》、《现代有机合成》等。学习范围大致分为两类，一为有机合成，如化学工业原料；二为基本有机合成，如化学试剂。此外，我们还必须掌握两种最基本的分析方法——正向分析法和逆向分析法，前者是从已知原料入手，找出合成所需的直接或间接的中间体，逐步推向合成的目标有机物；后者则刚好相反，将目标化合物倒退一步寻找上一步反应的中间体，而这个中间体，又可由上一步的中间体得到，以此类推，最后确定最适合的基础原料和最终的合成路线。

爱上有机化学

一开始，我只是把这个专业当做一项任务来学，不管是专业课还是实验，都感觉有些枯燥乏味，直到在一次有机化学课上，看上去有些古板的老师居然给我们讲了一个浪漫的故事。故事是这样的：有一个孤独的亲核试剂一直暗恋着一个碳原子。他希望有一天，这个碳原子会变成碳正离子，自己能够以SN1的机理去接近她。可是他等啊等啊，却什么也没有发生。终于有一天，当他决定直接以SN2的机理向碳原子表白时，他却发现碳原子对于已经连在她身上面的亲核基团非常眷恋，于是他退却了。

时间一点一点地过去，这个亲核试剂始终无法忘记碳原子。可是他对自己的亲核能力没有信心——他既没有替代已经连着的基团的信心，也没有代替基团之后，自己与碳原子形成一个稳定的分子的信心。他忽然觉得，碳原子和那些基团在一起更合适。她已经习惯了目前的构型了，如果发生SN2反应，碳原子的构型就必须翻转，他觉得不该为自己的那一点执著而让她发生改变。在接下来的时间里，孤独的亲核试剂只是注视着碳原子。有一天，一个不可抗拒的力量——一个分液漏斗，将他们永远地分开了。亲核试剂这才发现，原来机会只在方寸之间——逝去了的，永不再来。

万万没想到，化学粒子身上还隐藏着这么浪漫的爱情故事。在我为亲核试剂与碳原子的错过而唏嘘不已时，突然发现换一个角度看有机化学，原来很有意思。之前在我眼里那些冷冰冰的概念和实验，似乎在一瞬间都变得有感情了起来。这节课，让我开始爱上了有机化学。

随机应变最重要

学习有机合成，就必须做大量有机合成实验。有机合成实验是一项系统性、逻辑性很强的实践活动。虽然实验本身很有趣，可以亲眼见证几种化合物变成一种全新的化学物，但实验背后却包括了选题、查阅资料、设计路线、实验、检测、得出结论一系列的过程，单纯靠书本知识指导实验往往会失败，因为实验遇到的情况是千变万化的，所以分析和应变能力显得尤为重要。

记得在做某次实验时，前几个月同样的实验都很顺利，时隔数月再做，反应三天仍有原料没反应完。我十分纳闷，明明工艺条件是完全一样的，重复了几次为何还是这样呢。我把书上的实验步骤又仔细浏览了一遍，确定完全是按照书上的实验要求做的。思来想去，不得其解。在导师的提点下，我仔细回忆了前几个月做实验时的条件，这才发现虽然实验都是在室温条件下反应，但前几月的温度相对现在要高许多，如果把反应温度升到当时的室温会不会有不一样的结果？带着疑惑，我尝试了一次，问题果然得到了解决。

还有一次，我接手另一名同学做了一个多月都没做好的项目。他在实验中的反应收率一直做不好（反应收率是指在化学反应或相关的化学工业生产中，投入单位数量原料获得的实际生产的产品产量与理论计算的产品产量的比值）。文献中所提供的温度是溶剂沸点温度约接近200度，虽然这个同学也严格控制反应温度，但是溶液回流始终不理想。因为当时这个化合物是比较新的一种类型，文献上的资料很有限，分析方法需自己建立，且这种化合物在各种溶剂中溶解度都不是很好，研究条件很麻烦。在导师的鼓励下，我尝试自己摸索实验方法，改变反应的条件，发现提高搅拌转速能增大反应收率。再经过两天的深入分析和实验，我最终找到最佳搅拌速度，使反应收率提高了近十个百分点。

菜鸟挑战高收率

我的第一份实习是一家知名的化工公司，协助技术研发工作。在学校的学习时，我一直很自信，而在公司里我却遇到了很多意想不到的问题，生产流程中，常常遇到坏的项目，坏的路线，常常会出现顾此失彼的情况，比如先要送个样，然后回来接着做反应，这时候老员工会突然问送样结果怎么样了，于是又得放下手头工作找编号，去办公室调图等等。一开始缺乏经验，我总是手忙脚乱。实习初期，让我印象最深就是在遇到问题时要多与组长、老员工、主任沟通，这样能让我少走弯路，在总结错误经验时，就能明白了真正的实验路线应该是怎样的。

随着项目越做越多，我接触到了不同的反应类型，很多是学校里上没有接触过的。有一次，我要做一个中间体工艺放大工作。这个工作的核心内容是技术攻关，即如何将一个非常复杂的化学反应优化放大，完成三百公斤旋光性对映体的生产。对于有机合成的研究生来说，这个工作充满了未知，不过从另一角度看，但如果能啃下这块硬骨头，将是对我能力的极大提高，于是我毫不犹豫答应了与部门技术指导一起参与这个项目。

这个中间体的合成分为三个步骤，一是高温（140摄氏度）下进行三加二环加成反应得到消旋产物的二聚物，然后再将二聚物转化成消旋性产物，最后将消旋性产物拆分成所需的旋光性对映体。在我们接手之前，已经通过多批次的办法合成了40公斤的旋光性对映体，但当时的平均收率比值只有16%左右，技术人员对此很不满意，而这距离300公斤的任务还有很大的差距，怎么办？

按从前的工艺是肯定行不通的了。于是我花了三天时间，先仔细观察了生产过程并分析了其中的技术原理，发现实验中急需解决的主要问题有三个：确保高温反应的高收率；解决中间体的分离难题，或者更进一步干脆省略中间体的分离步骤；建立稳定的拆分工艺。这三个问题是相互关联的，第一个问题的攻克是解决后面难题的基础。在得到技术总监的认可后，我和技术指导根据这个思路，用最先进的在线红外波谱仪详细研究了高温下环加成反应机理，搞清了反应物配比、浓度、溶剂成分、温度和升温速率等变量对各种反应的影响。最终，我们把反应实时收率从原先的80%提高到了95%左右。这是一个巨大的进步，因为反应的高收率意味着能产生较低杂质，这也为省略中间体的分离（纯化）步骤奠定了基础，为建立起稳定的拆分工艺提供了良好原料，同时实现了高重复性。

这一项目持续了近五个月时间，随时都面临着困难和挑战，但给我带来的收获是非常显著的。它让我明白了在技术攻关时，要站在战略性的高度分析各个矛盾，先集中所有资源先解决主要矛盾，只有这样才能高屋建瓴，事半功倍；在具体操作时，要用最合适的仪器获得最可靠的数据，这也是提高工作效率的最好办法。