9.9 Johdanto orgaaniseen synteesiin

Orgaanisen kemian tutkimus altistaa opiskelijan monenlaisille toisiinsa liittyville reaktioille. Esimerkiksi alkeenit voidaan muuntaa rakenteellisesti samanlaisiksi alkaaneiksi, alkoholeiksi, alkyylihalogenideiksi, epoksideiksi, glykoleiksi ja boraaneiksi; pienemmät aldehydit, ketonit ja karboksyylihapot; ja suurentuneet karbokationilla ja radikaalisilla lisäyksillä sekä syklidirektiiveillä.Kaikki nämä tuotteet voidaan muuntaa myöhemmin joukoksi uusia yhdisteitä, joihin sisältyy laaja valikoima funktionaalisten ryhmien tyyliin ja ovat siten vielä tarkempia. Tämän seurauksena loogisesta konseptista monivaiheisesta synteesistä määritetyn yhdisteen valmistamiseksi määrätystä lähtöaineesta tulee yksi haastavimmista ongelmista, joita voi olla.

Yhden tai kahden vaiheen sekvenssi yksinkertaisista reaktioista on ei niin vaikea päätellä. Jos esimerkiksi pyydetään valmistamaan meso-3,4-heksaanidiolia 3-heksiinistä, useimmat opiskelijat ymmärtävät, että alkyni on pelkistettävä cis- tai trans-3-hekseeniksi ennen glykolin muodostumista. Cis-3-hekseenin permaganaatti- tai osmiumtetroksidihydroksylointi muodostaisi halutun meso-isomeerin. Trans-3-hekseenistä olisi välttämätöntä ensin hapettaa alkeeni perhapolla, jota seuraa renkaan avaaminen hydroksidi-ionilla. Tämä esimerkki kuvaa synteesin yhteisen piirteen: usein on olemassa useampi kuin yksi tehokas menettely, joka johtaa haluttuun tuotteeseen.

Pidemmät monivaiheiset synteesit edellyttävät huolellista analysointia ja ajattelua, koska monia vaihtoehtoja on harkittava. Kuten asiantuntija-shakkipelaaja, joka arvioi potentiaalisten liikkeiden pitkän matkan hyvät ja huonot puolet, kemistin on arvioitava erilaisten mahdollisten reaktioreittien potentiaalinen menestys keskittymällä kunkin yksittäisen reaktion rajoituksiin ja rajoituksiin. Tämä voi olla pelottava tehtävä, jonka taito hankitaan kokemuksella ja usein kokeilemalla.

Seuraavat kolme esimerkkiä ovat havainnollistavia. Ensimmäinen on yksinkertainen funktionaalisten ryhmien muuntamisongelma, joka saattaa aluksi tuntua vaikealta. Usein on hyödyllistä käsitellä tällaisia ongelmia taaksepäin alkaen tuotteesta. Tässä tapauksessa pitäisi olla ilmeistä, että sykloheksanoli voidaan korvata sykloheksanolilla, koska jälkimmäinen voidaan sitten valmistaa yksinkertaisella hapetuksella. Koska sykloheksaani (ja alkaanit yleensä) on suhteellisen reagoimaton, bromaus (tai klooraus) näyttäisi olevan ilmeinen ensimmäinen vaihe. Tässä vaiheessa houkutetaan muuttamaan bromisykloheksaani sykloheksanoliksi SN2-reaktiolla hydroksidi-ionin kanssa. Tähän reaktioon liittyy epäilemättä E2-eliminaatio, joten olisi puhtaampaa, vaikkakin yksi askel pidempi, valmistaa ensin syklohekseeni ja sitten hydratoida se jollakin useista menetelmistä (esim. Oksimerkuraatio ja hydroboraatio), mukaan lukien se, joka näkyy napsauttamalla kaaviota / p> Vastaus

Toisen ja kolmannen ongelman uskottavat ratkaisut näkyvät myös yllä tässä tilanteessa. Tehtävässä 2 halutulla tuotteella on seitsemän hiiliatomia ja lähtöaineella on neljä. On selvää, että kaksi lähtöyhdisteestä johdettua välituotetta on liitettävä toisiinsa ja yksi hiili on kadottava joko ennen tai jälkeen tämän sitoutumisen. Tuotteen 3º-alkoholifunktio viittaa muodostumiseen Grignard-lisäyksellä ketoniin, ja isobuteeni näyttää olevan hyvä esiaste jokaiselle näistä reagensseista, kuten on esitetty. Kolmannen ongelman reagoivat aine- ja tuoteyhdisteet ovat isomeerejä, mutta jonkinlainen sidoksen murtamis- ja sidosjärjestys on selvästi välttämätön tämän rakenteellisen muutoksen tapahtumiseksi. Yksi mahdollinen menettely on esitetty yllä. Happokatalysoitu syklohekseenioksidin uudelleenjärjestely, jota seuraa pelkistys, voi myös toimia.

Hyödyllinen lähestymistapa kohdemolekyylistä lähtevien ja taaksepäin kohti yksinkertaisempia lähtöaineita olevien synteesien laatimiseen on virallistanut professori E. J. Corey (Harvard) ja kutsunut sitä retrosynteettiseksi analyysiksi. Tässä menettelyssä kohdemolekyyli muuttuu asteittain yksinkertaisemmiksi rakenteiksi irrottamalla valitut hiili-hiilisidokset. Nämä irtikytkennät lepäävät muunnoksilla, jotka ovat päinvastoin uskottavia synteettisiä rakenteita. Jokaisesta näin muodostetusta yksinkertaisemmasta rakenteesta tulee lähtökohta uusille katkaisuille, mikä johtaa haarautuneeseen toisiinsa liittyvien välituotteiden joukkoon. Retrosynteettinen muunnos on kuvattu symbolilla = >, kuten alla olevissa esimerkeissä 2 on esitetty. & 3. Kun täydellinen analyysi on suoritettu , haluttu synteesi voidaan suorittaa soveltamalla muunnosten taustalla olevia reaktioita.

Yllä oleva kaavio ei tarjoa täydellistä joukkoa muunnoksia näille kohteille yhdisteet. Kun lähtöaine määritetään, kuten yllä olevissa ongelmissa, ehdotettujen reittien on heijastettava tätä rajoitusta. Täten esimerkin 2 mukaiset 4-metyyli-2-pentanoni- ja 3-metyylibutyraattiesterivaihtoehdot, vaikka ovat täysin kohtuullisia, eivät sovi hyvin tert-butanolialustaan. Samoin syklopentyylivälituote voi tarjota erinomaisen reitin esimerkissä 3 olevaan tuotteeseen, mutta se ei täytä ongelman määriteltyjä ehtoja.

Retrosynteettinen analyysi on erityisen hyödyllinen, kun otetaan huomioon suhteellisen monimutkaiset molekyylit ilman lähtöainerajoituksia. Jos se suoritetaan ilman puolueellisuutta, joskus ilmaantuu epätavallisia ja kiehtovia mahdollisuuksia. Valitettavasti molekyylien monimutkaisuus (joka koostuu koosta, toiminnallisuudesta, heteroatomin sisällyttämisestä, syklisestä liitettävyydestä ja stereoisomerismistä) johtaa yleensä hyvin suuriin ja laajasti haarautuneisiin transformaatiopuihin. Tietokoneavusteinen analyysi on osoittautunut hyödylliseksi, mutta loppujen lopuksi kemian vaistoilla ja kokemuksella on ratkaiseva rooli onnistuneen synteettisen suunnitelman saavuttamisessa. Alla on joitain suhteellisen yksinkertaisia esimerkkejä, joista useimmilla on lähtöainerajoituksia.