9.9 Bevezetés a szerves szintézisbe

A szerves kémia vizsgálata a hallgatót egymással összefüggő reakciók széles skálájának teszi ki. Az alkének például átalakíthatók szerkezetileg hasonló alkánokká, alkoholokká, alkil-halogenidekké, epoxidokká, glikolokká és boránokká; kisebb aldehidek, ketonok és karbonsavak, és karbokációval, gyökös addíciókkal, valamint ciklikus addíciókkal megnövekedve. Mindezek a termékek később átalakíthatók számos új vegyületté, amelyek széles változatosságot tartalmaznak funkcionális csoportok, és ezáltal még további kidolgozásra nyílik lehetőség. Következésképpen a kijelölt vegyület meghatározott kiindulási anyagból történő előállításához szükséges többlépcsős szintézis logikai koncepciója az egyik legnagyobb kihívást jelentheti, amely felmerülhet.

Egyszerű vagy kétlépéses egyszerű reakciósorozat nem olyan nehéz levezetni. Ha például felkérik, hogy készítsen mezo-3,4-hexándiolt 3-hexinből, a legtöbb hallgató rájön, hogy a glikolképzés megkezdése előtt az alkint cisz- vagy transz-3-hexénné kell redukálni. A cisz-3-hexén permaganáttal vagy ozmium-tetroxiddal végzett hidroxilezése a kívánt mezoizomert képezi. A transz-3-hexénből az alként először egy savval epoxidálni kell, majd a gyűrűt hidroxid-ionnal kell megnyitni. Ez a példa a szintézis közös jellemzőjét szemlélteti: gyakran egynél több hatékony eljárás vezet a kívánt termékhez.

A hosszabb, többlépcsős szintézisek gondos elemzést és átgondolást igényelnek, mivel számos lehetőséget kell figyelembe venni. A szakértő sakkozóhoz hasonlóan, aki értékeli a lehetséges mozgások hosszú távú előnyeit és hátrányait, a vegyészeknek fel kell mérniük a különféle lehetséges reakcióutak potenciális sikerét, összpontosítva az egyes alkalmazott reakciók terjedelmére és korlátaira. Ez ijesztő feladat lehet, amelynek készségét tapasztalat szerzi, és gyakran próbálgatással.

Az alábbi három példa szemléltető. Az első egy egyszerű funkcionális csoport-átalakítási probléma, amely kezdetben nehéznek tűnhet. Gyakran hasznos, ha az ilyen problémákat visszafelé dolgozzuk, a terméktől kezdve. Ebben az esetben nyilvánvalónak kell lennie, hogy a ciklohexanol helyettesítheti a ciklohexanont, mivel ez utóbbi egyszerű oxidációval állítható elő. Továbbá, mivel a ciklohexán (és általában az alkánok) viszonylag nem reagál, a brómozás (vagy klórozás) nyilvánvaló első lépésnek tűnik. Ezen a ponton megkísérlik a bróm-ciklohexánt ciklohexanollá alakítani egy hidroxid-ionnal végzett SN2 reakcióval. Ezt a reakciót kétségtelenül E2 elimináció kíséri, ezért tisztább, bár egy lépéssel tovább, először ciklohexént állítunk elő, majd több módszer bármelyikével (pl. Oximerkurálás és hidrobórozás) hidratáljuk, beleértve azt is, amelyet a diagramra kattintva mutatunk / p> Válasz

A második és a harmadik probléma elfogadható megoldásai is fent jelennek meg ezen a ponton. A 2. feladatban a kívánt termék hét szénatomot, a kiindulási anyag pedig négyet tartalmaz. Nyilvánvaló, hogy a kiindulási vegyületből származó két köztiterméket össze kell kapcsolni, és egy szenet el kell veszíteni, akár a kötés előtt, akár azután. A termék 3º-alkoholos funkciója azt sugallja, hogy egy ketonhoz Grignard-adalékot adunk, és az izobutén úgy tűnik, hogy jó előfutára ezeknek a reaktánsoknak, amint az látható. A harmadik probléma reaktánsai és termékvegyületei izomerek, de ennek a szerkezeti változásnak a megvalósításához egyértelműen szükséges valamilyen kötéstörő és kötésképző szekvencia. Egy lehetséges eljárást mutatunk be fent. A ciklohexén-oxid sav-katalizált átrendeződése, majd redukciója is szolgálhat.

A szintézisek kidolgozásának hasznos megközelítését a célmolekulától kezdve és az egyszerűbb kiindulási anyagok felé történő visszafelé haladást prof. E. J. Corey (Harvard) formalizálta, és retroszintetikus elemzésnek nevezte. Ebben az eljárásban a célmolekula fokozatosan egyszerűbb szerkezetekké alakul át a kiválasztott szén-szén kötések leválasztásával. Ezek a szétkapcsolások transzformációkon nyugszanak, amelyek ellentétesek az elfogadható szintetikus konstrukciókkal. Minden így létrehozott egyszerűbb szerkezet válik a további leválasztások kiindulópontjává, ami elágazó, egymással összefüggő köztitermékek halmazához vezet. A retroszintetikus transzformációt az = > szimbólum szemlélteti, ahogy az alábbiakban a 2. korábbi példáknál látható & 3. Miután teljes elemzést végeztek , a kívánt szintézist a transzformációk hátterében álló reakciók alkalmazásával lehet végrehajtani.

A fenti ábra nem tartalmaz teljes transzformációs készletet ezekhez a célokhoz vegyületek. Ha egy kiindulási anyagot megadnak, a fenti problémákhoz hasonlóan a javasolt útvonalaknak tükrözniük kell ezt a korlátozást. Így a 2. példában szereplő 4-metil-2-pentanon- és 3-metil-butirát-észter-opciók, bár teljesen ésszerűek, nem felelnek meg jól a terc-butanol-indításnak. Hasonlóképpen, egy ciklopentil-intermedier kiváló útvonalat biztosíthat a 3. példában szereplő termékhez, de nem felel meg a probléma meghatározott feltételeinek. Ha elfogulatlanság nélkül hajtják végre, néha szokatlan és érdekes lehetőségek jelennek meg. Sajnos a molekuláris komplexitás (méret, funkcionalitás, heteroatom beépülés, ciklikus összekapcsolhatóság és sztereoizomerizmus) általában nagyon nagy és nagymértékben elágazó transzformációs fákhoz vezet. A számítógéppel segített elemzés hasznosnak bizonyult, de végül a vegyész ösztönének és tapasztalatainak kritikus szerepe van a sikeres szintetikus terv elérésében. Néhány viszonylag egyszerű, a legtöbb kiindulási anyagra vonatkozó korlátozás példája az alábbiakban található.