9.9 Introducere în sinteza organică

Studiul chimiei organice expune un student la o gamă largă de reacții corelate. Alchenele, de exemplu, pot fi convertite în alcani, alcooli, halogenuri de alchil, epoxizi, glicoli și borani similari din punct de vedere structural; aldehide mai mici, cetone și acizi carboxilici și mărite prin carbocație și adaosuri de radicali, precum și cicloadiții. Toate aceste produse pot fi transformate ulterior într-o serie de compuși noi care încorporează o varietate largă grupuri funcționale și, prin urmare, deschise chiar și mai multă elaborare. În consecință, concepția logică a unei sinteze cu mai multe etape pentru construcția unui compus desemnat dintr-un material de pornire specificat devine una dintre cele mai provocatoare probleme care pot fi puse.

O secvență de una sau două etape de reacții simple este nu atât de greu de dedus. Dacă, de exemplu, cineva este rugat să pregătească mezo-3,4-hexanediol din 3-hexină, majoritatea studenților își dau seama că va fi necesar să se reducă alchinul la cis sau trans-3-hexenă înainte de a începe formarea glicolului. Permanaganatul sau hidroxilarea tetroxidului de osmiu a cis-3-hexenei ar forma izomerul mezo dorit. Din trans-3-hexenă ar fi necesar să se epoxideze mai întâi alchena cu un peracid, urmată de deschiderea inelului cu ion hidroxid. Acest exemplu ilustrează o caracteristică comună în sinteză: adesea există mai multe proceduri eficiente care conduc la produsul dorit.

Sintezele multistep mai lungi necesită o analiză și o gândire atentă, deoarece trebuie luate în considerare multe opțiuni. Ca un jucător de șah expert care evaluează avantajele și dezavantajele pe termen lung ale mișcărilor potențiale, chimistul trebuie să evalueze succesul potențial al diferitelor căi de reacție posibile, concentrându-se asupra sferei și limitărilor care constrâng fiecare reacție individuală utilizată. Aceasta poate fi o sarcină descurajantă, abilitatea pentru care este dobândită prin experiență și adesea încercare și eroare.

Cele trei exemple prezentate mai jos sunt ilustrative. Prima este o problemă simplă de conversie a grupului funcțional, care poate părea inițial dificilă. Este adesea util să lucrați astfel de probleme înapoi, începând de la produs. În acest caz, ar trebui să fie evident că ciclohexanolul poate fi substituit cu ciclohexanonă, deoarece acesta din urmă ar putea fi obținut printr-o simplă oxidare. De asemenea, deoarece ciclohexanul (și alcanii în general) este relativ nereactiv, bromurarea (sau clorurarea) pare a fi un prim pas evident. În acest moment, este tentat să transformăm bromociclohexanul în ciclohexanol printr-o reacție SN2 cu ionul hidroxid. Această reacție ar fi însoțită, fără îndoială, de eliminarea E2, deci ar fi mai curat, deși cu un pas mai lung, să se facă mai întâi ciclohexen și apoi să se hidrateze prin oricare dintre mai multe metode (de exemplu, oximercurarea și hidroborarea), inclusiv cea prezentată făcând clic pe diagramă / p> Răspuns

Soluțiile plauzibile pentru a doua și a treia problemă vor apărea deasupra în acest moment. În problema 2, produsul dorit are șapte atomi de carbon, iar materia primă are patru. În mod clar, doi intermediari derivați din compusul de pornire trebuie uniți împreună și un carbon trebuie pierdut, fie înainte, fie după această legare. Funcția de 3 ° alcool din produs sugerează formarea printr-un adaos Grignard la cetonă, iar izobutena pare a fi un bun precursor al fiecăruia dintre acești reactanți, așa cum se arată. Reactanții și compușii produsului din a treia problemă sunt izomeri, dar un fel de secvență de rupere a legăturii și de realizare a legăturilor este clar necesară pentru ca această schimbare structurală să aibă loc. O procedură posibilă este prezentată mai sus. Ar putea servi și rearanjarea oxidului de ciclohexen catalizat cu acid, urmată de reducere.

Abordarea utilă a elaborării sintezelor pornind de la molecula țintă și lucrând înapoi către materiale de pornire mai simple a fost formalizată de către prof. E. J. Corey (Harvard) și denumită analiză retrosintetică. În această procedură, molecula țintă este transformată progresiv în structuri mai simple prin deconectarea legăturilor carbon-carbon selectate. Aceste deconectări se bazează pe transformate, care sunt inversul construcțiilor sintetice plauzibile. Fiecare structură mai simplă, astfel generată, devine punctul de plecare pentru deconectări ulterioare, ducând la un set ramificat de intermediari interdependenți. O transformare retrosintetică este reprezentată de simbolul = >, așa cum se arată mai jos pentru exemplele anterioare 2 & 3. După efectuarea unei analize complete , sinteza dorită poate fi realizată prin aplicarea reacțiilor care stau la baza transformărilor.

Diagrama de mai sus nu oferă un set complet de transformări pentru aceste ținte compuși. Când este specificat un material de pornire, ca în problemele de mai sus, căile propuse trebuie să reflecte această constrângere. Astfel, opțiunile esterului 4-metil-2-pentanonă și 3-metilbutirat din exemplul 2, deși sunt rezonabile, nu se potrivesc bine cu un început de terț-butanol. De asemenea, un intermediar ciclopentil ar putea oferi o cale excelentă către produsul din exemplul 3, dar nu îndeplinește condițiile specificate ale problemei. Dacă se desfășoară fără părtinire, apar uneori posibilități neobișnuite și interesante. Din păcate, complexitatea moleculară (compusă din dimensiuni, funcționalitate, încorporarea heteroatomului, conectivitatea ciclică și stereoizomerismul) duce, în general, la arborii transformați foarte mari și cu ramuri extinse. Analiza asistată de computer s-a dovedit utilă, dar în cele din urmă instinctele și experiența chimistului joacă un rol critic în a ajunge la un plan sintetic de succes. Câteva exemple relativ simple, cele mai multe având restricții privind materialele de pornire, sunt furnizate mai jos.