Общие вещи, которые стоит иметь в виду, приступая к решению задач на синтез органических молекул
Полезно время от времени перечитывать, особенно если знаний вроде бы много (вы выучили наизусть справочник по именным реакциям…) , а задачи не решаются.
Синтез органического вещества распадается на два основных типа работы – построение скелета и изменение реакционных центров (кратных связей, заместителей, функциональных групп).
Скелет – это углеродный остов молекулы, непрерывная последовательность связанных друг с другом атомов углерода. Из любого углерода скелета можно дойти до любого другого углерода скелета пешком, наступая только на атомы углерода. А как быть, если в молекуле несколько углеродных фрагментов? Найдите самый сложный. А как быть, если я не могу определить сложность фрагментов? Бросить химию.
Посмотрите на исходные вещества. Большинство задач формулируется так: исходя из A, B, С и других необходимых реагентов получите D. Правила игры такие – исходные вещества в основном используются для построения скелета. Это буквально означает, что любой углерод скелета должен происходить из одного из явно заданных исходных. Даже один углерод вы не имеете права взять из произвольного реагента. Зато все остальное вы можете свободно брать из головы. Иногда среди явно заданных веществ перечисляют не только исходные для скелета, а еще какие-то важные вспомогательные вещества. В этом случае от вас ждут, что вы их используете. Дело в том, что почти любую задачу в органике можно выполнить несколькими способами. Если вам явно подсказывают какой-то конкретный реагент, то ожидают, что вы используете именно его, а не альтернативы. Вы потеряете баллы, если выполните задачу совершенно правильно, но не используете перечисленных в условии реагентов. Жаловаться бесполезно – вы сами не выполнили поставленные условия. Условия были “исходя из …”, а не “исходя, например, из …”.
Поставленная задача должна быть выполнена за разумное число стадий. Максимальная трудоемкость синтетической задачи – 10-12 стадий. Это не каприз составителей, а железная логика синтеза. Мы бы хотели, чтобы вы ее понимали. Каждая стадия – потери выхода. Общий выход – произведение выходов отдельных стадий. Даже если на каждой стадии выход 90% (очень редко такое бывает), то десять стадий дадут выход 0.9 в десятой степени, а это около 35% и это не плохо. Но если выходы 80% (по прежнему, в реальности редко такое удается, то общий выход будет всего 10%. И если выходы 90%, а стадий 20, то общий выход будет 12%, а если 80% и стадий 20 – 1%. Представляете, – вы пахали как лошадь, сделали 20 стадий, на что ушло в лучшем случае пара месяцев, а суммарный выход получили 1%! Бывают на свете такие сложные вещества и такие синтезы (бывают даже длиннее), но это точно нечто уникальное, для истории. Но если вы решаете банальную учебную задачу в 20 стадий, то ждите не восхищенных взглядов и признательности потомков, а хохота и улюлюкания. И да – за это снимают баллы, много баллов.
Когда решаете задачу, старайтесь не терять важные вещи. Что это значит? В органических молекулах есть места, которые можно изменять (они называются реакционными центрами), и есть много всякого балласта, в котором ничего сделать невозможно – он вне вашего контроля. Простой пример – октен-1. Вы можете что-то сделать с первыми двумя углеродами через реакции двойной связи; вы можете достать до третьего углерода через аллильное бромирование, вы можете целенаправленно сдвинуть двойную связь на 2,3-углероды, но до них вы уже и так добрались. Из аллильного бромида вы можете сделать 1,3-диен – и вот уже 4 углерода в работе, – но дальше пути нет. Вы ничего не сможете сделать с остальными 4 углеродами. Но четыре – уже неплохо. Теперь представьте, что вы сразу превратили октен-1 в октанол-1. И все – в нем вам доступен только первый углерод, и больше ничего. Вы потеряли контроль над тремя углеродами. Чтобы его вернуть, придется обратно сделать олефин – но это пустая работа. А теперь совсем ужасно – представьте, что вы прогидрировали олефин и получили октан. Все – больше вы не имеете доступа даже к одному углероду. Вы – синтетический банкрот. (Безусловно, условие задачи могло именно это и требовать, но если нет, если вы видели, что требовалось что-то изменять на 2, 3, 4-ом углеродах, то ничего сделать невозможно). Вы можете сказать, что в этом случае вы не решили задачу, и тогда вообще какая разница. Не совсем так – при проверке учитываются и оцениваются правильные шаги, если они записаны. И не оцениваются неправильные, в частности такие, когда вы явно теряете исходную информацию.
Не дробите данный скелет. Когда планируете синтез, учтите, что в органической химии чрезвычайно редко используются реакции, приводящие к уменьшению количества атомов углерода в скелете, на пути к более сложной структуре. Дали вам, например, бутен-1, а получить просят октандиол-1,2. Правильный подход – найти способ соединить два 4-углеродных фрагмента, и затем в полученном 8-углеродном скелете создать требуемые функции. Неправильный – распилить 4-углеродный на 3 и 1, или 2 и 2 (озонолизом или еще как-то), и затем кропать восемь из маленьких кусочков. Получите множество лишних стадий и потеряете баллы. Вам напишут, что выбранный путь неэффективен, и что можно было решить задачу за 7 стадий, а не за пятнадцать. И это ошибка.
Перейдем к более конкретным вещам.