10.10: Вступ до багатоетапного синтезу

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22933

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мета навчання

використовувати ретросинтетичний аналіз для розробки багатоступінчастого синтезу з правильною регіохімією та стереохімією з використанням досліджених на сьогоднішній день реакцій

Вступ

Вивчення органічної хімії знайомить студентів з широким спектром взаємопов'язаних реакцій. Алкени, наприклад, можуть бути перетворені на структурно подібні алкани, спирти, алкілгалогеніди, епоксиди, гліколі та борани; розщеплюються до менших альдегідів, кетонів та карбонових кислот; і збільшені карбокацією та радикальними добавками, а також циклодобавками. Більшість цих реакцій показані на карті реакцій алкенів нижче. Всі ці продукти можуть бути згодом перетворені в безліч нових сполук, що включають в себе найрізноманітніші функціональні групи. Отже, логічна концепція багатоступеневого синтезу для побудови призначеного з'єднання із зазначеного вихідного матеріалу стає однією з найбільш складних проблем, які можуть бути поставлені. Карти функціональних групових реакцій, як наведені нижче для алкенів, можуть бути корисними при розробці багатоступінчастих синтезів. Це може бути корисно побудувати і розробити власні карти реакцій для кожної досліджуваної функціональної групи.

Алкен Реакція Карта

Зверніть увагу: Реагенти для кожного хімічного перетворення були навмисно опущені, щоб цю карту можна було використовувати як інструмент дослідження. Відповіді наводяться в кінці цього розділу в рамках вправ.

реакція алкену map.png

Простий багатоступінчастий синтез

Один або два етапи послідовності простих реакцій не так вже й складно вивести. Наприклад, синтез мезо-3,4-гександіолу з 3-гексину може відбуватися більш ніж одним багатоступінчастим шляхом.

ч 10 розділ 10 приклад 1.png

Одним з підходів було б зменшення алкіну до цис або транс-3-гексену перед початком утворення гліколю. Пермананат або тетроксид осмію гідроксилювання цис-3-гексену утворює бажаний мезоізомер.

ч 10 розділ 10 приклад 2.png

З транс-3-гексену потрібно було б спочатку епоксидизувати алкен за допомогою перкислоти з подальшим відкриттям кільця з кислим або основним гідролізом.

ч 10 розділ 10 приклад 3.png

Більш тривалі багатоступінчасті синтези вимагають ретельного аналізу та роздумів, оскільки потрібно розглянути багато варіантів. Як експерт шахіст оцінки далекого діапазону плюси і мінуси потенційних ходів, хімік повинен оцінити потенційний успіх різних можливих шляхів реакції, зосереджуючись на масштабах і обмеженнях, що обмежують кожну з окремих реакцій, що використовуються. Навичка набувається практикою, досвідом, а часто пробами і помилками.

Продумуючи це через 3 Приклади

Наступні три приклади ілюструють стратегії розробки багатоступінчастих синтезів з реакцій, вивчених у перших десяти розділах цього тексту. Корисно систематично шукати структурні зміни, починаючи з вуглецевого ланцюга, і мозковий штурм відповідних реакцій перетворення функціональних груп. Ретро-синтез - це підхід роботи назад від продукту до вихідного матеріалу.

У першому прикладі нас просять синтезувати 1-бутанол з ацетилену.

ч 10 розділ 10 приклад 5.png

Вуглецевий ланцюг подвоюється в розмірах, що вказує на реакцію ацетиліду S _N 2 з алкілгалогенідом. Первинне утворення спирту від реакції гідратації антимарковнікова алкену (гідробірація-окислення) є більш імовірним, ніж реакція заміщення. Застосовуючи ретросинтез, ми працюємо назад від спирту до алкену до алкіну від ацетилідної реакції, яка спочатку будує вуглецевий ланцюг.

Ретро-синтез

ч 10 ретро синхронізації 1.png

Працюючи вперед, ми вказуємо реагенти, необхідні для кожного перетворення, ідентифікованого з ретро-синтезу. Етилбромід також повинен бути отриманий з ацетилену, тому кілька шляхів реакції поєднуються, як показано нижче.

ch 10 багатоступінчастий 1.png

У другому прикладі нас просять синтезувати 1,2-дибромбутан з ацетилену.

ch 10 багатоступінчастий 2.png

Знову спостерігається збільшення довжини вуглецевого ланцюга, що свідчить про реакцію ацетиліду S _N 2 з алкілгалогенідом, подібним до першого прикладу. Гідрогалогенування може бути тонким для розрізнення, оскільки атоми водню не показані в структурах лінії зв'язку. Порівнюючи хімічні формули 1-бутину з 1,2-дибромбутаном, існує різниця двох атомів Н і двох атомів Br, що вказують на гідрогалогенізацію, а не галогенізацію. Додавання обох атомів брому до одного і того ж атома вуглецю також підтримує ідею про те, що гідрогалогенізація відбувається на алкіні, а не алкені. Освіта генінального дигалогеніду також вказує на гідрогалогенізацію замість галогеніоїну, оскільки галогенація виробляє віцинальні дигалогеніди. При такому розумінні ретросинтез вказує на наступний ряд хімічних перетворень.

Ретро-синтез

ч 10 ретро синхронізації 2.png

Працюючи вперед, ми вказуємо реагенти, необхідні для кожного перетворення.

ч 10 мульти крок 2 з reagents.png

У третьому прикладі нас просять виготовити 6-оксогептанал з метилциклогексану.

ch 10 багатоступінчастий приклад 3.png

Підраховуючи вуглеці, вихідний матеріал і продукт містять сім атомів вуглецю, і відбувається реакція розщеплення алкена в відновних умовах. Одним з важливих відсутніх аспектів цієї реакції є хороша група виходу (LG). Алкани хімічно досить нудні. Ми можемо спалювати їх як паливо або виконувати вільнорадикальні галогеніди для створення алкілгалогенідів з чудовими групами догляду. При цих спостереженнях обґрунтований наступний ретросинтез.

Ретро-синтез

ч 10 ретро синхронізації 3.png

Працюючи вперед, ми вказуємо реагенти, необхідні для кожної реакції. Для початкової вільнорадикальної галогенації алкану у нас є варіант хлору (Cl2) або брому (Br2). Оскільки метилциклогексан має кілька різних класифікацій вуглецю, селективність Br2 важливіша, ніж швидша реакційна здатність Cl2. Міцна основа з теплом може бути використана для другого кроку, щоб слідувати механізму Е2 і утворювати 1-метилциклогексен. Група альдгідів на кінцевому продукті вказує на ніжне окислювальне розщеплення будь-яким з декількох шляхів реакції. Ці реакції можуть бути об'єднані в наступний багатоступінчастий синтез.

ч 10 мульти крок 3 приклад solution.png

Карти реакцій для побудови майстерності перетворення функціональних груп

Опрацювавши наведені вище приклади, ми можемо побачити, наскільки важливо запам'ятати всі функціональні групові реакції, вивчені в перших десяти розділах. Ми можемо застосувати знання цих реакцій до мудрості багатоступінчастих синтезів.

Зверніть увагу: Реагенти для кожного хімічного перетворення були навмисно опущені, так що ці карти можуть бути використані як інструмент дослідження. Відповіді наводяться в кінці цього розділу в рамках вправ.

Карта реакції алкану та алкілгалогенідів

х 10 алкан RX РХС map.png

Алкіна Реакція Карта

ch 10 алкіна РКСН map.png

Вправа

1. Починаючи з 3-гексину прогнозують синтетичні маршрути для досягнення:

а) транс-3-гексен

б) 3,4-дибромгексан

в) 3-гексанол.

2. Починаючи з ацетилену та будь-яких алкілгалогенідів, пропонують синтез зробити

а) п'ятидесятниця

б) гексан.

Відповідь

альт