новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы
расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас


контакты
поиск
   

главная > справочник > химическая энциклопедия:

Органический синтез


выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Органический синтез, раздел органической химии, в котором рассматриваются пути и методы искусственного создания органических соединений в лабораторных и промышленных масштабах. Широко применим в лабораторных условиях (главным образом для исследовательских целей) и в промышленности (см. Основной органический синтез. Тонкий органический синтез.

Успешное развитие органического синтеза началось после разработки теории химического строения (см. Органическая химия)и накопления сведений о химических свойствах органических соединений (2-я пол. 19 в.). С этого времени органический синтез как основной источник новых органический соединений играет фундаментальную роль в становлении орг. химии как науки и в ее дальнейшем развитии, обеспечивая постоянно расширяющийся круг изучаемых объектов. Развитие органический синтез в 20 в., особенно в последние десятилетия, характеризуется все возрастающим вниманием к синтезу природных соединений и их аналогов, значительным укреплением методической базы (созданием надежных синтетических методов), началом создания самостоятельной теории органического синтеза. Осуществление синтеза сложнейших природных соединений (напр., хлорофилла. витамина В12, биополимеров), создание материалов с необычными свойствами (напр., т. наз. металлов органических)показывает, что для современного органический синтез практически не существует неразрешимых задач.

В статье рассмотрены вопросы, касающиеся планирования органического синтеза, т. е. выбора оптимальные пути получения соединений с заранее заданной структурой. Конкретные методы синтеза - образование новой связи С—С, введение функциональных групп и др. изложены в статьях, посвященных реакциям (напр., алкилирование, Арбузова реакция. диеновый синтез. нитрование).

Обычно синтез целевого соединений осуществляют из относительно простых и доступных (т. е. выпускаемых промышленностью) исходных веществ. Как правило, при синтезе сложных веществ путь от исходных соединений к целевому разбивается на ряд этапов (стадий), на каждом из которых происходит образование одной-двух связей (фрагментов) будущей молекулы или подготовка к образованию таких связей.

Осуществление органический синтез сопряжено с решением двух основных вопросов: 1) разработка общего плана синтеза, т.е. выбор оптимальных исходных соединений и последовательности стадий, ведущих кратчайшим путем к целевому продукту (стратегия синтеза); 2) выбор (или разработка новых) синтетических методов, обеспечивающих возможность построения необходимой связи в определенном месте собираемой молекулы (тактика синтеза).

Основу тактики органический синтез составляют различные синтетические методы, каждый из которых представляет собой стандартную совокупность одной или несколько реакций и приемов выделения продуктов, которые обеспечивают возможность построения или разрыва определенного типа связи (или связей), необходимой для синтеза целевого соединения. Важные характеристики эффективного синтетического метода - общность (слабая зависимость результата от конкретных особенностей структуры исходных соед.), селективность (участие в осн. реакциях метода лишь определенных функциональных групп) и высокие выходы продуктов. Типичным примером эффективного синтетич. метода может служить синтез олефинов по Виттигу (р-ции 1-3) из алкилгалогенидов и карбонильных соед.:


Осн. методы органический синтез можно разбить на три группы: 1) конструктивные, ведущие к образованию новых связей С—С, назначение которых-построение скелета будущей молекулы (напр., реакция Гриньяра, реакция Фриделя-Крафтса, цикло-присоединение); 2) деструктивные, ведущие к разрыву определенных связей С—С с целью удаления той или иной группировки из молекулы после того, как ее роль в синтезе сыграна (напр., декарбоксилирование. периодатное окисление диолов); 3) методы трансформации функц. групп. Последнее важно для введения в молекулы исходных или промежут. соед. функц. групп и их защиты (см. Защитные группы), требующихся для осуществления очередной конструктивной реакции, а на заключит. стадиях синтеза-для введения необходимых функц. групп в целевое соединение.

Методы трансформации функц. групп (напр., превращ. спиртов в алкилгалогениды, простые и сложные эфиры. карбонильные соед. и обратные им превращения) хорошо разработаны. Это позволяет говорить о синтетической эквивалентности функц. групп и целых фрагментов молекул, если они легко взаимопревращаемы. Напр., при синтезе замещенных бензиловых спиртов (4 и 5) и алкиларилов (4 и 6) введение в молекулу арена ацильного остатки (4) в синтетич. плане эквивалентно введению -гидроксиалкилъного или алкильного остатка, поскольку карбонильная группа в промежут. кетоне легко м. б. восстановлена до спиртовой (5) или до СН2-звена (6):


Принцип синтетич. эквивалентности позволяет использовать практически весь арсенал существующих реакций для сборки целевой структуры почти независимо от конкретного распределения (или отсутствия) в ней функц. групп; например, наращивание углеродной цепи путем алкилирования моно-замещенных ацетиленидов можно рассматривать как метод синтеза цис-олефинов, легко получаемых из дизамещенных ацетиленов путем частичного гидрирования.

Рассмотрение вопросов синтетической эквивалентности привело к введению в органический синтез понятия "синтон", под которым подразумевают реальные или нереальные (виртуальные) частицы, присоединение которых к субстрату соответствует введению в него определенной (обычно достаточно крупной и распространенной в орг. соед.) группы. Синтон - понятие абстрактное, описывающее в символич. виде результат к.-л. синтетич. операции. Ему должен соответствовать тот или иной реагент (реагенты), участвующий в реальной реакции. Так, например, записанной на синтонном языке реакции (7), ведущей к карбоновым кислотам, соответствуют реальные реакции (8 и 9), в которых синтетич. эквивалентом синтона -СООН выступает CN- (записывается -СООН -CN), синтона R+-ал-килгалогенид или алкилсулъфонат (R+ RX):


Представление о синтонах широко используют для решения тактич. и стратегич. задач в ретросинтетическом анализе. При этом целесообразно осуществлять разборку (на схемах символ ) целевой молекулы таким образом, чтобы она вела к наиб. "распознаваемым" (т.е. хорошо разработанным и употребительным) синтонам. Так, например, целесообразным путем ретросинтетич. анализа карбоновых кислот может служить разборка (а), ведущая к рассмотренным выше синтонам, либо разборка (б), ведущая к синтонам I и II:


Реагентами, эквивалентными синтонам I и II, могут служить соотв. металлоорг. соед. III и СО2, а реальными реакциями, отвечающими такой разборке,-р-ции 10 и 11:


Использование синтонного подхода в поиске оптимальных путей синтеза позволяет в значит. мере формализовать (свести к набору некоторых руководящих правил) выбор пути органический синтез, основывавшийся ранее главным образом на личном опыте и интуиции исследователя. Синтонный подход позволяет иногда прийти чисто логич. путем к решениям эвристич. характера. Последнее связано главным образом с использованием "переполяризованных" синтонов, в которых вводимый в молекулу фрагмент характеризуется необычной, парадоксальной, с точки зрения обычных представлений орг. химии, полярностью или структурой. Примером может служить ретросинтетич. анализ альдегидов (12), ведущий к электроф. синтону R+, синтетич. эквиваленты которого традиционны, и "парадоксальному" синтону -СН=О. Последний м. б. реализован путем использования его синтетич. эквивалента-метилен-дитиоацеталя (IV), включение которого в последовательность реакций (13) обеспечивает возможность генерирования карб-аниона (V) и получение целевого альдегида:


Т. обр., последовательность реакций (13) эквивалентна первоначальной парадоксальной разборке (12).

Наряду с традиц. синтетич. методами, обеспечивающими сборку одной связи в молекуле, большую роль играют методы, в которых реакция или последовательность реакций обеспечивает образование нескольких связей и одновременно сборку крупного мол. фрагмента, как, например, в аннелировании по Робинсону (см. Робинсона -Манниха реакция). Поскольку методы такого типа позволяют решать не только частные тактич. задачи, но и вопросы целостного построения ключевого элемента структуры конечного продукта, их принято относить к числу стратегических.

При разработке стратегии сложного органический синтез используют неск. разл. подходов. В логич. отношении наиб. простой из них состоит в последоват. ретросинтетич. разборке связей, входящих в целевую молекулу таким образом, чтобы в итоге выйти к подходящим исходным соединениям. Каждый шаг такой разборки должен приводить к распознаваемым синтонам, с тем чтобы обратная операция (сборка соответствующей связи в реальном синтезе) была обеспечена эффективным синтетич. методом. Для любой более или менее сложной орг. молекулы можно написать множество ретросинтетич. схем, построенных на таком принципе. Это же справедливо и для большинства промежут. соед., возникающих на каждом шаге ретросинтетич. анализа. В результате строится "древо" решений, выбор оптим. пути в котором требует глубокого анализа. Исследование теоретич. основ органический синтез направлено, в частности, на создание методов отсечения наим. перспективных вариантов и поиск наиб. плодотворных. В этих исследованиях ключевое место занимает понятие стратегии, связи, т.е. такой связи, с разборки которой целесообразно начинать ретросинтетич. анализ (для целевых и промежут. соед.). Сформулирован ряд принципов выбора стратегич. связи, формализованных до такой степени, что на их основе появилась возможность создания программ для ЭВМ с целью осуществления ретросинтетич. анализа в т. наз. компьютерном синтезе. Однако такой подход имеет ряд недостатков. Один из них состоит в том, что молекула в этом случае рассматривается как сумма ковалентных связей, т.е. без учета специфики, присущей конкретной структуре как целому.

Тщательный же анализ такой специфики (второй путь планирования органический синтез) позволяет в ряде случаев находить неожиданные эвристич. решения, обеспечивающие высокую эффективность синтеза. Пример такого решения трехста-дийный синтез прир. производных циклопентаноидов (14), осуществленных Г. Мета и А. Редди в 1981:


Третий принцип планирования состоит в выборе той или иной стратегич. реакции как ключевой стадии синтеза (напр., построение присущего целевому соед. углеродного скелета) с послед. ретросинтетич. "подгонкой" целевой структуры к продукту этой реакции. Несмотря на то что такой путь обычно сопряжен с включением в схему синтеза ряда дополнит. стадий (введения, удаления или защиты функц. групп), он нередко обеспечивает высокую эффективность схемы в целом, поскольку позволяет в одну-две стадии решить осн. стратегич. задачу синтеза. Так, в кратчайшем из известных на сегодня синтезе стероидов (его разработали Р. Фанк и К. Фольгардт в 1980) задача создания полициклич. скелета решается с помощью трех стратегич. реакций, выполняемых в одном реакц. сосуде без выделения промежут. продуктов (схема 15):


"Болевая точка" многостадийного синтеза - низкий выход целевого продукта. При среднем выходе на стадию У общий выход на п стадий составляет Yn = Yn.

Поэтому важно при планировании сложного синтеза минимизировать число стадий и выбирать наиб. эффективные синтетич. методы для его осуществления.

Др. путь повышения общего выхода - использование т. наз. конвергентных схем синтеза. При традиц. подходе сборка сложной молекулы из фрагментов Аi осуществляется путем последоват. усложнения исходного субстрата в соответствии с "линейной" схемой (16):


В отличие от такого приема, конвергентные схемы синтеза предполагают параллельную сборку укрупняющихся мол. блоков и заключит. сборку целевой молекулы из двух крупных блоков по схеме типа (17):


Для такой полностью конвергентной схемы зависимость общего выхода от числа стадий имеет вид , что обусловливает значительно более слабую зависимость Yn от числа стадий (см. также табл.).

ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДА КОНЕЧНОГО ПРОДУКТА (В %) ОТ ЧИСЛА СТАДИЙ (средний выход одной стадии 80%)

Схема синтеза

Число стадий

8

16

32

64

80

Линейная

16.8

2,8

0,08

6 10 5

2 10 6

Конвергентная

51,2

41

32,8

26

24,4

Конвергентные схемы имеют также др. преимущества перед линейными: возможность разобщения сходных функц. групп по разным ветвям схемы, в результате чего значительно упрощаются задачи обеспечения селективности реакций (см. Региоселективностъ и региоспецифичность); возможность одновременной проработки разл. ветвей схемы, а также внесения необходимых изменений в те или иные участки схемы без нарушения общего стратегич. замысла. Осуществимость конвергентного пути синтеза строится на использовании реакций, обеспечивающих возможность сборки молекул из крупных блоков, что, наряду с синтонным подходом, в значит. мере обусловило успехи органический синтез (синтез хлорофилла. витамина В12, полинуклеотидов и др.) и перевод многих чисто препаративных синтезов в промышленные (напр., синтез стереоидных гормонов и простагландинов).

Лит.. Чижов органический синтез, Чижов А О., Рациональное планирование сложного органического синтеза, М., 1986; Бочков А Ф , Смит В А., Органический синтез, М., 1987. © А.Ф. Бочков.




выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


Все новости



Новости компаний

Все новости


© ChemPort.Ru, MMII-MMXVIII
Контактная информация