Предсказание реакционной способности веществ

[zoran]

Мне кажется, что созрела необходимость обсудить данную тему. Возможно, для некоторых это не проблема, но я хотел бы разобраться в данном вопросе.

Итак, почему в одних случаях мы для объяснения поведения молекул используем одни принципы, в других - совсем иные?
Когда есть результат, то всегда можно найти теорию, которая бы его объясняла. А потом в статье написать что так и было задумано, подтвердив ссылками из литературы. А если все пошло не так, как было задумано, то можно красиво объяснить это влиянием какого-нибудь заместителя через 10 связей или стерическими препятствиями, создаваемые двумя протонами в орто-положении.

Учебники по органической химии обычно содержат информацию, разделенную по классам соединений. Такая методология имеет свои плюсы и свои минусы. Например, енаминокетоны являются винилогами амидов. А их будут рассматривать в разделе "амины".

Упоминавшаяся недавно теория жестких и мягких кислот и оснований (теория Пирсона) почему-то используется только в тех случаях, когда по-другому объяснить не получается. При этом теория ЖМКО не дает количественного подхода к оценки этой самой "жесткости" и "мягкости".

Рисование резонансных структур помогает объяснить смещение электронной плотности в сопряженных системах, однако при этом не учитывается энергия орбиталей, участвующих в сопряжении, из-за чего оценить относительный вклад различных резонансных структур бывает сложно. Простейший пример - молекула тиофена, в которой низколежащие по энергии d-орбитали серы изменяют картину с распределением эл. плотности.

Мостиковый эффект Литвиненко - отдельная тема. А можно ли его привлекать для объяснения поведения конденсированных гетероциклических систем?

Как оценить, какой растворитель полярнее. На сколько нормализованные параметры Райхарда (ETN) пригодны в качестве критерия при подборе растворителя. Все-таки, сольватация молекулы красителя может отличаться от сольватации других молекул и ионов.

Правило Бредта имеет исключения. А правила Балдвина я вообще не понял - зачем они нужны? Опять же, куча исключений.

Почему сложные эфиры реагируют с нуклеофилами по карбонильному углероду, а лактоны часто по атакуются по углероду, связанному с эндо-кислородом.

И наконец, как предсказать нуклеофугность того или иного фрагмента? Не объяснить (объяснить можно все что угодно), а предсказать и оценить

[zoran]

Вот есть у меня один детский вопрос, прямо можно было его поместить в раздел "школьная химия".

Почему галоген при двойной связи заместить трудно ("мертвый галоген"), а аминогруппу легко (например, всем известная реакция переаминирования)? С точки зрения электронных эффектов -Cl и -NH2 имеют +M, -I. К тому же, в отличие от амид-аниона, хлорид-анион является (я очень люблю это выражение) "хорошо уходящей группой".

[chemist]

Э-хе-хе... , молодость . Учите механизмы реакций, мсье и все начнет проясняться ! Это ж не только в химии такие непонятки, но и в других науках, да и по жизни бывает. Да и не объять необятное нам, грешным

[Marxist]

Не объяснить (объяснить можно все что угодно), а предсказать и оценить

Вообще-то есть такая штука -- QSPR называется. Вот с помощью этих статистических методов можно именно оценить и предсказать. Но объяснения ты не получишь вообще никакого. А если надо объяснять -- делай для каждой конкретной системы квантовомеханический расчёт. Через пару месяцев машинного времени сможешь получить первое приближение...

[zoran]

Самое интересное, что фразы типа "...в этом случае элиминирование протекает против правила Зайцева" или "Эффект гиперконъюгации позволил объяснить..." никому ничего не объясняют. Зато вызывают священный трепет у студентов. Ааааааа.... гиперконъюгация!!!!

[zoran]

Не объяснить (объяснить можно все что угодно), а предсказать и оценить

Вообще-то есть такая штука -- QSPR называется. Вот с помощью этих статистических методов можно именно оценить и предсказать. Но объяснения ты не получишь вообще никакого. А если надо объяснять -- делай для каждой конкретной системы квантовомеханический расчёт. Через пару месяцев машинного времени сможешь получить первое приближение...

К сожалению, я плохо разбираюсь в квантах. Но на сколько я знаю, любые квантово-химические рассчеты связаны с различного рода допущениями и всякими коэффициентами, взятыми "от фонаря". Да и если бы все можно было рассчитать, зачем тогда учить и преподавать химию?

[avor]

Расслабтесь нет такой теории, которая предсказывала константы и ход любой реакции в любом растворителе и активность любого соединения. А то химики бы все реакции считали бы, как строители балки расчитывают и то у последних сложные конструкции нормально не считаются.

[ChemNavigator]

Вот есть у меня один детский вопрос, прямо можно было его поместить в раздел "школьная химия".

Почему галоген при двойной связи заместить трудно ("мертвый галоген"), а аминогруппу легко (например, всем известная реакция переаминирования)? С точки зрения электронных эффектов -Cl и -NH2 имеют +M, -I. К тому же, в отличие от амид-аниона, хлорид-анион является (я очень люблю это выражение) "хорошо уходящей группой".

Об электронных эффектах. Возьмите бензольное колько с заместителями - и Cl и NH2 ориентируют электрофильные реагенты в орто- и пара-положение, но в отличие от NH2-группы Cl затрудняет это замещение (по ср. с бензолом). +M эффект аминогруппы гораздо сильнее.
За счёт этого +M эффекта аминогруппы в енаминах атака протона идёт по двойной связи и образуется катион, который далее уже легко подвергается нуклеофильной атаке - аналогично карбонильной группе.
Например, виниламин при протонировании образует CH3-CH=NH2+, затем этот катион присоединяет воду и образует CH3-CH(OH)-NH3+, который в конце концов распадается до ацетальдегида и иона аммония.

[zoran]

Вот есть у меня один детский вопрос, прямо можно было его поместить в раздел "школьная химия".

Почему галоген при двойной связи заместить трудно ("мертвый галоген"), а аминогруппу легко (например, всем известная реакция переаминирования)? С точки зрения электронных эффектов -Cl и -NH2 имеют +M, -I. К тому же, в отличие от амид-аниона, хлорид-анион является (я очень люблю это выражение) "хорошо уходящей группой".

Об электронных эффектах. Возьмите бензольное колько с заместителями - и Cl и NH2 ориентируют электрофильные реагенты в орто- и пара-положение, но в отличие от NH2-группы Cl затрудняет это замещение (по ср. с бензолом). +M эффект аминогруппы гораздо сильнее.
За счёт этого +M эффекта аминогруппы в енаминах атака протона идёт по двойной связи и образуется катион, который далее уже легко подвергается нуклеофильной атаке - аналогично карбонильной группе.
Например, виниламин при протонировании образует CH3-CH=NH2+, затем этот катион присоединяет воду и образует CH3-CH(OH)-NH3+, который в конце концов распадается до ацетальдегида и иона аммония.

Конечно, в присутствии кислот переаминирование идет быстрее. Но с сильными аминами оно протекает и в апротонной среде, в которой невозможно ни С- ни N-протонирование енамина

[Phobos]

В этом и есть прелесть органического синтеза - что еще долгое время все будет решать не мощность компьютеров, а интуиция и руки химика.

[slavert]

Как раз со строительными балками все очень просто - сопромат это чисто эмпирическая наука. То есть данные для расчета новой балки базируются на краш-тестах ее предшественников. А когда я смотрю на органические механизмы из 10 стадий - меня всегда мучает вопрос, как это доказывали - особенно 20 лет назад, когда ЯМР на 400 МГц был нечто экзотическое. А читать оригинальные статьи меня почему-то ломает. Еще меня радуют статьи по органике до 70 годов - типа куча веществ получена - из методов анализа - только элементный анализ, ну ИК иногда. Ну а про биохимию я вообще молчу - как например стадии синтеза белка (транскрипция/трансляция) так детально доказали???

[алекс555]

А когда в молекуле появляется реационных центоров больше двух - там вообще все сложнее - из-за наличия всяких побочных процессов и участия соседних групп! А иначе бы и ферментативного катализа бы не было.

[ChemNavigator]

Конечно, в присутствии кислот переаминирование идет быстрее. Но с сильными аминами оно протекает и в апротонной среде, в которой невозможно ни С- ни N-протонирование енамина

Вот вы говорите - в апротонной среде, а как же амин и исходный енамин? Они же тоже могут поставлять протоны - хотя бы в виде водородных связей!
Тот же енамин, например, может также существовать и в таутомерной форме имина, который уже может подвергаться переаминированию.

Для хлорзамещённых соединений такая таутомерия вообще невозможна, отсюда и различие в реакционной способности.

[Marxist]

В этом и есть прелесть органического синтеза - что еще долгое время все будет решать не мощность компьютеров, а интуиция и руки химика.

Интуиция и руки будут опрделять всё и всегда, а мощность компьютера -- дело наживное. До расчёта сложных вещей ab initio ещё очень далеко, и все неэмпирические, да и полуэмпирические методы считают, как сказал В.М.Ковба, "одинаково хреново". Одно дело посчитать, а другое дело -- сделать. Но на самом деле вся эта интуиция -- это в некотором роде Q'SPR, где Q' -- это не "количественные", а "качественные".

[zoran]

Конечно, в присутствии кислот переаминирование идет быстрее. Но с сильными аминами оно протекает и в апротонной среде, в которой невозможно ни С- ни N-протонирование енамина

Вот вы говорите - в апротонной среде, а как же амин и исходный енамин? Они же тоже могут поставлять протоны - хотя бы в виде водородных связей!
Тот же енамин, например, может также существовать и в таутомерной форме имина, который уже может подвергаться переаминированию.

Для хлорзамещённых соединений такая таутомерия вообще невозможна, отсюда и различие в реакционной способности.

Это интересная мысль, требующая, однако, доказательств. Умозрительно трудно оценить, насколько водородные связи облегчают реакцию. К тому же, NH-кислотность сильных аминов довольно мала. Что касается таутомерии енаминов, то можно взять третичные енамины, например 1-морфолиноциклогексен или соединения, содержащие N,N-диметиламиновинильный фрагмент. Известно, что такие соединения также хорошо переаминируются.

[Cherep]

Умозрительно трудно оценить, насколько водородные связи облегчают реакцию.

Ну а как же ферменты?

[zoran]

Умозрительно трудно оценить, насколько водородные связи облегчают реакцию.

Ну а как же ферменты?

Гм... про ферменты не знаю.... Наверное про них уже много известно.

Но если бы про них было известно самое главное, то все химические синтезы давно бы велись при температуре 37 С, нормальном давлении и в водной среде. При этом выходы были бы 98-100% (ee 99%).

[Cherep]

Я про водородные связи при ферментативном катализе. Они не только ориентируют субстраты, но и обеспечивают должную реакционную способность. Ну это, правда, одна из теорий.

[ALI4ka]

Но если бы про них было известно самое главное, то все химические синтезы давно бы велись при температуре 37 С, нормальном давлении и в водной среде. При этом выходы были бы 98-100% (ee 99%). [/quote]
Что главное?