Химическая энциклопедия - органический синтез

, раздел орг. химии, в к-ром рассматриваются пути и методы искусств. создания орг. соед. в лаб. и пром. масштабах. Широко применим в лаб. условиях (гл. обр. для исследоват. целей) и в пром-сти (см. Основной органический синтез. Тонкий органический синтез).

Успешное развитие О. с. началось после разработки теории хим. строения (см. Органическая химия )и накопления сведений о хим. св-вах орг. соед. (2-я пол. 19 в.). С этого времени О. с. как осн. источник новых орг. соед. играет фундам. роль в становлении орг. химии как науки и в ее дальнейшем развитии, обеспечивая постоянно расширяющийся круг изучаемых объектов. Развитие О. с. в 20 в., особенно в последние десятилетия, характеризуется все возрастающим вниманием к синтезу прир. соед. и их аналогов, значит. укреплением методич. базы (созданием надежных синтетич. методов), началом создания самостоят. теории О. с. Осуществление синтеза сложнейших прир. соед. (напр., хлорофилла, витамина В 12, биополимеров), создание материалов с необычными св-вами (напр., т. наз. металлов органических )показывает, что для современного О. с. практически не существует неразрешимых задач.

В статье рассмотрены вопросы, касающиеся планирования О. с.,т. е. выбора оптим. пути получения соед. с заранее заданной структурой. Конкретные методы синтеза-образование новой связи СЧС, введение функц. групп и др. изложены в статьях, посвященных р-циям (напр., алкилиро-вание, Арбузова реакция, диеновый синтез, нитрование).

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

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

Основу тактики О. с. составляют различные синтетич. методы, каждый из к-рых представляет собой стандартную совокупность одной или неск. р-ций и приемов выделения продуктов, к-рые обеспечивают возможность построения или разрыва определенного типа связи (или связей), необходимой для синтеза целевого соединения. Важные характеристики эффективного синтетич. метода общность (слабая зависимость результата от конкретных особенностей структуры исходных соед.), селективность (участие в осн. р-циях метода лишь определенных функц. 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 О. с. можно разбить на три группы: 1) конструктивные, ведущие к образованию новых связей СЧС, назначение к-рых-построение скелета будущей молекулы (напр., р-ция Гриньяра, р-ция Фриделя-Крафтса, цикло-присоединение); 2) деструктивные, ведущие к разрыву определенных связей СЧС 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 проме-жут. соед. функц. групп и их защиты (см. Защитные группы), требующихся для осуществления очередной конструктивной р-ции, 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 синтетич. 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 про-межут. кетоне легко м. б. восстановлена до спиртовой (5) или до СН 2 -звена (6):

Принцип синтетич. эквивалентности позволяет использовать практически весь арсенал существующих р-ций для сборки целевой структуры почти независимо от конкретного распределения (или отсутствия) в ней функц. групп; напр., 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 синтетич. эквивалентности привело к введению в О. с. понятия "синтон", под к-рым подразумевают реальные или нереальные (виртуальные) частицы, присоединение к-рых 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 р-ции. Так, напр., записанной на синтонном языке р-ции (7), ведущей к карбоновым к-там, соответствуют реальные р-ции (8 и 9), в к-рых 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, напр., целесообразным путем ретросинтетич. анализа карбоновых к-т 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 СО 2, а реальными р-циями, отвечающими такой разборке,-р-ции 10 и 11:

Использование синтонного подхода в поиске оптим. путей синтеза позволяет в значит. мере формализовать (свести к набору нек-рых руководящих правил) выбор пути О. с., основывавшийся ранее гл. обр. на личном опыте и интуиции исследователя. Синтонный подход позволяет иногда прийти чисто логич. путем к решениям эвристич. характера. Последнее связано гл. обр. с использованием "переполяризованных" синтонов, в к-рых 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 к-рого традиционны, и "парадоксальному" синтону ^- СН=О. Последний м. б. реализован путем использования его синтетич. эквивалента-метилен-дитиоацеталя (IV), включение к-рого в последовательность р-ций (13) обеспечивает возможность генерирования карб-аниона (V) и получение целевого альдегида:

Т. обр., последовательность р-ций (13) эквивалентна первоначальной парадоксальной разборке (12).

Наряду с традиц. синтетич. методами, обеспечивающими сборку одной связи в молекуле, большую роль играют методы, в к-рых р-ция или последовательность р-ций обеспечивает образование неск. связей и одновременно сборку крупного мол. фрагмента, как, напр., 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 О. с. 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 к-ром требует глубокого анализа. Исследование теоретич. основ О. с. 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 к-рой 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 О. с.) 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. р-ции как ключевой стадии синтеза (напр., построение присущего целевому соед. углеродного скелета) с послед. ретросинтетич. "подгонкой" целевой структуры к продукту этой р-ции. 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. р-ций, 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 пстадий составляет Yn = Yⁿ.

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

Др. путь повышения общего выхода использование т. наз. конвергентных схем синтеза. При традиц. подходе сборка сложной молекулы из фрагментов А i 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):