органічний синтез

Органічний синтез, розділ органічної хімії, в якому розглядаються шляхи і методи штучного створення органічних сполук в лабораторних і промислових масштабах. Широко застосовується в лабораторних умовах (головним чином для дослідницьких цілей) і в промисловості (див. Основний органічний синтез . тонкий органічний синтез .

Успішний розвиток органічного синтезу почалося після розробки теорії хімічної будови (див. Органічна хімія) і накопичення відомостей про хімічні властивості органічних сполук (2-га пол. 19 ст.). З цього часу органічний синтез як основне джерело нових органічних сполук грає фундаментальну роль в становленні орг. хімії як науки і в її подальшому розвитку, забезпечуючи постійно розширюється коло досліджуваних об'єктів. Розвиток органічний синтез в 20 ст., Особливо в останні десятиліття, характеризується все зростаючим увагою до синтезу природних сполук і їх аналогів, значним зміцненням методичної бази (створенням надійних синтетичних методів), початком створення самостійної теорії органічного синтезу. Здійснення синтезу складних природних сполук (напр., хлорофілу . вітамін А В12, біополімерів), створення матеріалів з незвичайними властивостями (напр., Т. Зв. металів органічних) показує, що для сучасного органічний синтез практично не існує нерозв'язних задач.

У статті розглянуті питання, що стосуються планування органічного синтезу, т. Е. Вибору оптимальних шляхів отримання сполук із заздалегідь заданою структурою. Конкретні методи синтезу - утворення нової зв'язку С-С, введення функціональних груп та ін. Викладені в статтях, присвячених реакцій (напр., Алкілування, Арбузова реакція . дієновий синтез . нітрація).

Зазвичай синтез цільового з'єднань здійснюють з відносно простих і доступних (т. Е. Випускаються промисловістю) вихідних речовин. Як правило, при синтезі складних речовин шлях від вихідних з'єднань до цільового розбивається на ряд етапів (стадій), на кожному з яких відбувається утворення однієї-двох зв'язків (фрагментів) майбутньої молекули або підготовка до утворення таких зв'язків.

Здійснення органічний синтез пов'язане з рішенням двох основних питань: 1) розробка загального плану синтезу, тобто вибір оптимальних вихідних з'єднань і послідовності стадій, що ведуть найкоротшим шляхом до цільового продукту (стратегія синтезу); 2) вибір (або розробка нових) синтетичних методів, що забезпечують можливість побудови необхідного зв'язку в певному місці збирається молекули (Тактика синтезу).

Основу тактики органічний синтез складають різні синтетичні методи, кожен з яких представляє собою стандартну сукупність однієї або кілька реакцій і прийомів виділення продуктів, які забезпечують можливість побудови або розриву певного типу зв'язку (або зв'язків), необхідної для синтезу цільового з'єднання. Важливі характеристики ефективного синтетичного методу - спільність (слабка залежність результату від конкретних особливостей структури вихідних сполуки.), Селективність (участь в осн. Реакціях методу лише певних функціональних груп) і високі виходи продуктів. Типовим прикладом ефективного синтетичні. методу може служити синтез олефінів по Віттіг (р-ції 1-3) з алкилгалогенидов такарбонільних соед .:

Осн. методи органічний синтез можна розбити на три групи: 1) конструктивні, що ведуть до утворення нових зв'язків С-С, призначення яких-побудова скелета майбутньої молекули (Напр., Реакція Гриньяра, реакція Фріделя-Крафтса, цикло-приєднання); 2) деструктивні, що ведуть до розриву певних зв'язків С-С з метою видалення того чи іншого угруповання з молекули після того, як її роль в синтезі зіграна (напр., декарбоксилирование . перйодатного окислення діолів); 3) методи трансформації функц. груп. Останнє важливо для введення в молекули вихідних або проміжних. соед. функц. груп і їх захисту (див. Захисні групи), що вимагаються для здійснення чергової конструктивної реакції, а на укладе. стадіях синтезу-для введення необхідних функц. груп в цільове з'єднання.

методи трансформації функц. груп (напр., перетворюється. спиртів в алкілгалогеніду, прості і складні ефіри . карбонільні сполуки. і зворотні їм перетворення) добре розроблені. Це дозволяє говорити про синтетичну еквівалентності функц. груп і цілих фрагментів молекул, якщо вони легко взаімопревращаеми. Напр., При синтезі заміщених бензиловий спиртів (4 і 5) і алкіларілов (4 і 6) введення в молекулу арена ацильного залишки (4) в синтетичні. плані еквівалентно введенню -гідроксіалкіл'ного або алкільного залишку, оскільки карбонильная група в промежут. кетони легко м. б. відновлена ​​до спиртової (5) або до СН2-ланки (6):

Принцип синтетичні. еквівалентності дозволяє використовувати практично весь арсенал існуючих реакцій для збірки цільової структури майже незалежно від конкретного розподілу (або відсутності) у ній функц. груп; наприклад, нарощування вуглецевого ланцюга шляхом алкілування моно-заміщених ацетіленід можна розглядати як метод синтезу цис -олефінов, легко одержуваних з дизаміщених ацетиленів шляхом часткового гідрування .

Розгляд питань синтетичної еквівалентності призвело до введення в органічний синтез поняття "синтон", під яким мають на увазі реальні або нереальні (віртуальні) частки, приєднання яких до субстрату відповідає введенню в нього певної (зазвичай досить великої і поширеної в орг. Соед.) Групи. Синтонів - поняття абстрактне, яке описує в символічний. вигляді результат до.-л. синтетичні. операції. Йому повинен відповідати той чи інший реагент (реагенти), що бере участь в реальній реакції. Так, наприклад, записаної на синтонність мовою реакції (7), що веде до карбонових кислот, відповідають реальні реакції (8 і 9), в яких синтетичні. еквівалентом Синтон -СООН виступає CN- (записується -СООН -CN), Синтон R + -ал-кілгалогенід або алкілсул'фонат (R + RX):

Подання про синтонність широко використовують для вирішення тактич. і стратегич. задач в Ретросинтетичний аналізі. При цьому доцільно здійснювати розбирання (на схемах символ ) цільової молекули таким чином, щоб вона вела до наиб. "Розпізнаваним" (тобто добре розробленим і вживаним) синтонність. Так, наприклад, за доцільне шляхом ретросінтетіч. аналізу карбонових кислот може служити розбирання (а), що веде до розглянутим вище синтонність, або розбирання (б), що веде до синтонність I і II:

Реагентами, еквівалентними синтонність I і II, можуть служити соотв. металлоорг. соед. III і СО2, а реальними реакціями, що відповідають такій розбиранні, -р-ції 10 і 11:

Використання синтонного підходу в пошуку оптимальних шляхів синтезу дозволяє в значить. міру формалізувати (звести до набору деяких керівних правил) вибір шляху органічний синтез, грунтується раніше головним чином на особистому досвіді і інтуїції дослідника. Синтонний підхід дозволяє іноді прийти чисто логічний. шляхом до рішень еврістічен. характеру. Останнє пов'язано головним чином з використанням "переполярізованних" синтонів, в яких вводиться в молекулу фрагмент характеризується незвичайною, парадоксальною, з точки зору звичайних уявлень орг. хімії, полярністю або структурою. Прикладом може служити ретросінтетіч. аналіз альдегідів (12), що веде до електрофор. синтонність R +, синтетичні. еквіваленти якого традиційні, і "парадоксального" синтонність СН = О. Останній м. Б. реалізований шляхом використання його синтетичні. еквівалента-метилен-дітіоацеталя (IV), включення якого в послідовність реакцій (13) забезпечує можливість генерування карб-аніону (V) і отримання цільового альдегіду:

Т. обр., Послідовність реакцій (13) еквівалентна первісній парадоксальною розбиранні (12).

Поряд з традиц. синтетичні. методами, що забезпечують складання одного зв'язку в молекулі, велику роль відіграють методи, в яких реакція або послідовність реакцій забезпечує утворення декількох зв'язків і одночасно збірку великого мовляв. фрагмента, як, наприклад, в аннелірованіі по Робінсону (див. Робінсона -Манніха реакція). Оскільки методи такого типу дозволяють вирішувати не тільки приватні тактич. завдання, а й питання цілісного побудови ключового елемента структури кінцевого продукту, їх прийнято відносити до числа стратегічних.

При розробці стратегії складного органічний синтез використовують дек. разл. підходів. У логічний. відношенні наиб. простий з них полягає в последоват. ретросінтетіч. розбиранні зв'язків, що входять в цільову молекулу таким чином, щоб в результаті вийти до відповідних вихідним з'єднанням. Кожен крок такої розбирання повинен призводити до розпізнаваним синтонність, з тим щоб зворотна операція (збірка відповідної зв'язку в реальному синтезі) була забезпечена ефективним синтетичні. методом. Для будь-якої більш-менш складною орг. молекули можна написати безліч ретросінтетіч. схем, побудованих на такому принципі. Це ж справедливо і для більшості промежут. соед., що виникають на кожному кроці ретросінтетіч. аналізу. В результаті будується "дерево" рішень, вибір оптим. шляху в якому вимагає глибокого аналізу. Дослідження теоретичних. основ органічний синтез направлено, зокрема, на створення методів відсікання найменувань. перспективних варіантів і пошук наиб. плідних. У цих дослідженнях ключове місце займає поняття стратегії, зв'язку, тобто такого зв'язку, з розбирання якої доцільно починати ретросінтетіч. аналіз (для цільових і проміжних. соед.). Сформульовано ряд принципів вибору стратегич. зв'язку, формалізованих до такої міри, що на їх основі з'явилася можливість створення програм для ЕОМ з метою здійснення ретросінтетіч. аналізу в т. зв. комп'ютерному синтезі. Однак такий підхід має ряд недоліків. Один з них полягає в тому, що молекула в цьому випадку розглядається як сума ковалентних зв'язків, тобто без урахування специфіки, властивою конкретної структурі як цілого.

Ретельний ж аналіз такої специфіки (другий шлях планування органічний синтез) дозволяє в ряді випадків знаходити несподівані еврістічен. рішення, що забезпечують високу ефективність синтезу. Приклад такого рішення трьохстах-дійний синтез прир. похідних ціклопентаноідов (14), здійснених Г. Мета і А. Редді в 1981:

Третій принцип планування полягає у виборі тієї чи іншої стратегич. реакції як ключовий стадії синтезу (напр., побудова притаманного цільовим соед. вуглецевого скелета) з послід. ретросінтетіч. "Підгонкою" цільової структури до продукту цієї реакції. Незважаючи на те що такий шлях зазвичай пов'язаний з включенням в схему синтезу ряду доповнить. стадій (введення, видалення або захисту функц. груп), він нерідко забезпечує високу ефективність схеми в цілому, оскільки дозволяє в одну-дві стадії вирішити осн. стратегич. задачу синтезу. Так, в найкоротшому з відомих на сьогодні синтезі стероїдів (його розробили Р. Фанк і К. Фольгардт в 1980) завдання створення поліцікліч. скелета вирішується за допомогою трьох стратегич. реакцій, які виконуються в одному реакц. посудині без виділення проміжних. продуктів (схема 15):

"Больова точка" многостадийного синтезу - низький вихід цільового продукту. При середньому виході на стадію У загальний вихід на п стадій становить Y n = Yn.

Тому важливо при плануванні складного синтезу мінімізувати число стадій і вибирати наиб. ефективні синтетичні. методи для його здійснення.

Др. шлях підвищення загального виходу - використання т. зв. конвергентних схем синтезу. При традиц. підході збірка складної молекули з фрагментів А i здійснюється шляхом последоват. ускладнення вихідного субстрату відповідно до "лінійної" схемою (16):

На відміну від такого прийому, конвергентні схеми синтезу припускають паралельну збірку укрупнюються мовляв. блоків і укладе. збірку цільової молекули з двох великих блоків за схемою типу (17):

Для такої повністю конвергентної схеми залежність загального виходу від числа стадій має вигляд , Що обумовлює значно більш слабку залежність Y n від числа стадій (див. Також табл.).

ЗАЛЕЖНІСТЬ ВИХОДУ КІНЦЕВОГО ПРОДУКТУ (В%) ВІД ЧИСЛА стадій (середній вихід однієї стадії 80%)

схема синтезу

конвергентна

Конвергентні схеми мають також ін. Переваги перед лінійними: можливість роз'єднання подібних функц. груп по різних гілок схеми, в результаті чого значно спрощуються завдання забезпечення селективності реакцій (див. Регіоселектівност' і регіоспецифічно); можливість одночасної опрацювання разл. гілок схеми, а також внесення необхідних змін в ті чи інші ділянки схеми без порушення загального стратегич. задуму. Здійсненність конвергентного шляху синтезу будується на використанні реакцій, що забезпечують можливість складання молекул з великих блоків, що, поряд з синтонність підходом, в значить. мірою зумовило успіхи органічний синтез (синтез хлорофілу . вітамін А В12, полинуклеотидов і ін.) І переклад багатьох чисто препаративних синтезів в промислові (напр., Синтез стереоідних гормонів і простагландинів).

Літ .. Чижов органічний синтез, Чижов А О., Раціональне планування складного органічного синтезу, М., 1986; Бочков А Ф, Сміт В А., Органічний синтез, М., 1987. © А.Ф. Бочков.