Практикум: синтезы и цепочки превращений
Перемещение двойной связи и функциональной группы
Многие синтетические задачи сводятся к тому, чтобы перенести двойную связь или функциональную группу в другое положение.
edit_noteРазбор задачи: как превратить 2-метилпропан-2-ол в 2-метилпропан-1-ол
Группу OH нужно перенести от третичного атома к соседнему первичному. Прямо этого не сделать, поэтому сначала уберём группу OH дегидратацией: нагревание с серной кислотой даёт единственный алкен — 2-метилпропен. Затем присоединим воду против правила Марковникова гидроборированием–окислением: группа OH встанет к концевому атому, и получится 2-метилпропан-1-ол.
boltИнструменты
- Сдвиг двойной связи к центру цепи: кислотная изомеризация или присоединение HX с последующим отщеплением небольшим основанием (Зайцев).
- Сдвиг к концу цепи: присоединение HX с последующим отщеплением объёмным основанием (Гофман) или гидроборирование с последующей дегидратацией первичного спирта.
- Перенос галогена: HBr с пероксидом и без него дают разные бромиды.
auto_awesomeМетатезис алкенов
Современный способ переставлять двойные связи — метатезис: на катализаторах из соединений рутения или молибдена два алкена обмениваются половинками. Например, из пропена получают этилен и бут-2-ен. За разработку метатезиса Ив Шовен, Роберт Граббс и Ричард Шрок получили Нобелевскую премию 2005 года.
Выбор реагента
В этом разделе нужно подобрать реагент, дающий продукт с заданным строением. Сначала определите, к какому атому двойной связи должна присоединиться нуклеофильная часть реагента, затем — какое присоединение нужно: син или анти.
edit_noteРазбор задачи: как из гекс-3-ина получить рацемический гексан-3,4-диол
Рацемат получается, если геометрия алкена и тип присоединения не совпадают: цис-алкен и анти-присоединение или транс-алкен и син-присоединение. Первый путь: гидрирование на катализаторе Линдлара даёт (Z)-гекс-3-ен, затем надкислота и кислотный гидролиз эпоксида вводят группы OH анти. Второй путь: натрий в жидком аммиаке даёт (E)-гекс-3-ен, затем тетраоксид осмия вводит группы OH син.
boltКороткая таблица реагентов
Вода и кислота — Марковников, возможны перегруппировки; ацетат ртути, затем \(\ce{NaBH4}\) — Марковников без перегруппировок; \(\ce{BH3}\), затем \(\ce{H2O2}\) — против Марковникова, син; холодный \(\ce{KMnO4}\) или \(\ce{OsO4}\) — син-диол; надкислота, затем \(\ce{H3O+}\) — анти-диол; \(\ce{Br2}\) — анти-дибромид; HBr с пероксидом — бром к менее замещённому атому.
history_eduРетросинтез
Выбор реагентов и путей синтеза превратил в систему американский химик Элайас Кори. В 1960-х годах он предложил ретросинтетический анализ — планирование синтеза от целевой молекулы назад, к простым исходным веществам. За развитие теории и методологии органического синтеза Кори получил Нобелевскую премию 1990 года.
Цепочки превращений
В цепочках превращений вещества часто зашифрованы буквами, а над стрелками указаны только реагенты и условия. Расшифровка идёт по реагентам: каждый из них однозначно указывает на тип реакции.
| Над стрелкой | Что происходит |
|---|---|
| \(\ce{H2SO4}\) (конц.), t или \(\ce{Al2O3}\), t | дегидратация спирта (Зайцев) |
| KOH, спирт, t | отщепление HX (Зайцев) |
| \(\ce{(CH3)3COK}\) | отщепление HX (Гофман) |
| HBr | присоединение по Марковникову |
| HBr, пероксид | присоединение против Марковникова |
| \(\ce{BH3}\), затем \(\ce{H2O2}\), NaOH | спирт против Марковникова, син |
| \(\ce{Br2}\) | дибромид, анти |
| \(\ce{KMnO4}\), \(\ce{H2O}\), 0 °C | диол, син |
| \(\ce{KMnO4}\), \(\ce{H+}\), t | разрыв двойной связи |
| \(\ce{O3}\), затем Zn, \(\ce{H2O}\) | альдегиды и кетоны |
boltКак расшифровывать цепочку
Идите от известного вещества к неизвестному, записывая после каждого шага структуру, а не формулу. Если в середине цепочки известно только конечное вещество, пройдите от него назад: реакции алкенов почти все обратимы на бумаге.
edit_noteРазбор задачи: цепочка из трёх стадий
2-Метилбутан-2-ол при нагревании с серной кислотой даёт вещество A, A с бромоводородом в присутствии пероксида — B, B с трет-бутилатом калия — C. Серная кислота и нагревание — дегидратация по Зайцеву: A — 2-метилбут-2-ен. Пероксид — радикальное присоединение, атом брома встаёт к менее замещённому атому: B — 2-бром-3-метилбутан. Объёмное основание — отщепление по Гофману от метильной группы: C — 3-метилбут-1-ен. Итог цепочки — двойная связь перенесена к концу цепи.
auto_awesomeСамые длинные цепочки
Полный синтез витамина B12, завершённый в 1972 году Робертом Вудвордом и Альбертом Эшенмозером, длился около 12 лет, и над ним работали примерно сто химиков. Каждая стадия такой цепочки — реакция из учебника, выбранная так, чтобы не затронуть остальную часть молекулы.
push_pinГлавное
Двойную связь перемещают через галогенид (присоединение HX и отщепление) или через спирт; функциональную группу переносят к другому атому, меняя регионаправленность присоединения (с пероксидом и без, гидроборирование и гидратация). Стереохимию диолов и дигалогенидов определяют выбором син- или анти-присоединения.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.