研究天然产物的简洁全合成一直是推动有机合成、药物开发和可持续化学的重要途径。传统天然产物全合成的设计与执行依赖于E.J.Corey教授提出的逆合成分析,寻找一系列多步的化学转化,人工逐步地对目标分子进行拼接。二十世纪以来,该领域的研究趋势发生了改变,由于全合成的目的与评价全合成的标准发生了变化,化学工作者更加关注如何采用更加简洁、高效的手段来完成全合成。化学理想度与锅经济性等概念应运而生。基于分子的自组织行为,我们试图通过经典的逆合成分析,理性地设计出一组可以自导向的反应序列,使之能够在一锅当中自序化地执行,从而实现从人工分步合成到自组织合成的跨越。这种通过理性设计的分子自组织高阶反应模型,相比较传统的单线性分步反应模式,更加符合天然产物的生源合成途径,是一类简洁合成天然产物特别是生物碱的新策略。同时,也是开拓类天然产物骨架或新骨架的重要手段。然而,这一课题的实现具有较大的挑战性,现有的自组织一锅全合成的例证较少,研究对象结构较为简单,并存在着较多合成上的局限。最主要的是还没有指导这一策略规律性的理论依据。本论文通过底物、反应条件与反应路径等层面的设计与探索,开发了多例由氨基酸出发的自组织一锅全合成新策略与杂环构筑的新方法。试图为自组织一锅全合成的发展增添例证,并为上述挑战性问题寻找答案。论文主要分为以下几部分:第一章,首先介绍了天然产物全合成的研究背景与趋势,综述了近几年来一锅全合成的案例,主要包括了(a)一锅多步全合成;(b)微波辅助的一锅全合成;(c)自组织一锅全合成。在本章中,提出了自组织一锅全合成的设计理念、研究现状与存在的科学挑战。最后,提出了本论文的立题思想与研究思路。第二章,对于吲哚联噁唑生物碱的全合成背景进行了调研,试图寻找该家族生物碱一锅全合成的方法。我们认为,该类生物碱很可能是通过氨基酸代谢而来。通过合理的逆合成分析,我们使用氨基酸作为底物,完成了生物碱 pimprinine,pimprinethine,pimprinaphine,WS-30581A,WS-30581B,laboradorin 1,uguenenazole,balsoxine,texamine 的一锅全合成,并且首次合成了手性生物碱pimprinolA,为该类具有重要生物活性的杂环骨架提供了高效简洁的合成手段。第三章,在上一章的研究基础上,我们针对氨基酸脱羧脱氨转化为醛类化合物的副反应进行延伸,开发了从氨基酸出发与吲哚反应生成经历脱羧、脱氨双偶联过程生成双吲哚骨架生物碱的合成方法学。该新颖的转化为 streptindole,arsindoline B,tris(3-indo l yl)methane,3,3’-bisindolylphenylmethane,vibrindole A,arundine 以及 1,1-(3,3’-diindolyl)-2-phenylethane七种双吲哚生物碱提供了自组织一锅全合成的手段。特别是对于streptindole,arsindoline B生物碱而言,极大地缩短了其合成路径,提高了合成效率。第四章,对于sophodibenzosides家族天然产物的结构特征进行研究,认为该家族天然产物均含有4-羟基苯偶酰核心骨架。我们将多样性导向合成的概念与自组织一锅全合成概念相融合,试图采用合理的逆合成分析直接构筑4-羟基苯偶酰片段,并以之作为平台分子,完成sophodibenzosides家族天然产物的集体合成。我们采用芳基乙酮的甲基sp3碳与苯酚对位sp2碳的氧化偶联实现了 4-羟基苯偶酰片段的一锅合成。该方法学具有良好的底物兼容性,可以容忍例如卤素、羟基等敏感基团。通过克级规模制备,合成了天然产物sophodibenzosidesD-I的生物源糖苷前体,并通过简单的后续修饰,完成了 sophodibenzosides F和I的首次全合成。第五章,将生物活性导向合成概念与自组织一锅全合成概念相融合,通过合理的反应设计,实现了从色胺与苯乙酮出发,加入胺供体直接构筑具有潜在生物活性的二氢咔啉并咪唑优势骨架。与该骨架以往需要多步的线性步骤的制备方法相比,我们一锅一步的合成手段更加高效、简洁。并且这一咔啉并咪唑环的构筑方法还有望为其它吲哚骨架生物碱类似物提供合成手段。第六章,在自组织一锅全合成的设计与探索中,我们认识到,模拟生源合成是指导自组织一锅全合成的有效手段。研究前生命化学合成子的分子行为与转化模式是逆合成分析的基础与切入点。氨基酸是构成生命大厦的基本砖石之一,在有机合成方法学中,氨基酸参与的基本可以分为四个类别,即Ugi多组份反应,脱羧偶联反应,碳氢活化反应和其他类别反应。本章综述了氨基酸参与有机合成方法学的研究案例,并认为,该领域还没有通过氨基酸仿生的降解-重构反应模式来开发方法学的例证,是氨基酸化学的研究空白点之一。第七章,使用氨基酸与苯乙酮作为底物,通过单质碘诱导氨基酸的脱羧,脱氨,重构反应,成功合成了 2,6-二取代以及2,4,6-三取代吡啶分子。该项研究证明氨基酸仿生的降解-重构反应模式是可以用于合成方法学的开发的。基于这一研究结果,我们拓展了降解-重构反应模式的应用范围,实现了氨基酸自二聚合成吡啶,交叉二聚合成β咔啉,杂二聚合成噻唑与噁唑,交叉三聚合成吡啶,自三聚合成吡啶,交叉四聚合成氢化吡啶等新颖的杂环构筑方法,丰富了氨基酸参与有机合成方法学的研究例证。第八章,当今,石油化工资源日益消耗减少,通过生物质转化来获得具有合成价值的杂环分子对于可持续化学有正面意义。基于上一章对于氨基酸降解-重构反应模式的深入研究,我们开发了从两分子不同氨基酸与苯胺类化合物通过无金属催化手段合成功能化的多取代喹啉衍生物。从多样化的氨基酸底物出发,为2,3-二取代,2-取代或3-取代喹啉提供了生物质转化的方法。该方法还可以快速构建具有光电活性或药物衍生物喹啉骨架,是对于喹啉合成方法学的补充。第九章,对本篇博士论文的研究工作进行逐条的概述和总结,对后续的研究内容进行预测与展望。