ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ, раздел органическое химии, в котором рассматриваются пути и методы искусств. создания органическое соединение в лабораторная и пром. масштабах. Широко применим в лабораторная условиях (главным образом для исследоват. целей) и в промышлености (см. Основной органический синтез. Тонкий органический синтез).

Успешное развитие ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. началось после разработки теории химический строения (см. Органическая химия)и накопления сведений о химический свойствах органическое соединение (2-я пол. 19 в.). С этого времени ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. как основные источник новых органическое соединение играет фундам. роль в становлении органическое химии как науки и в ее дальнейшем развитии, обеспечивая постоянно расширяющийся круг изучаемых объектов. Развитие ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. в 20 в., особенно в последние десятилетия, характеризуется все возрастающим вниманием к синтезу природные соединение и их аналогов, значительной укреплением методич. базы (созданием надежных синтетич. методов), началом создания самостоят. теории ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. Осуществление синтеза сложнейших природные соединение (например, хлорофилла, витамина В₁₂, биополимеров), создание материалов с необычными свойствами (например, так называемой металлов органических)показывает, что для современного ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. практически не существует неразрешимых задач.

В статье рассмотрены вопросы, касающиеся планирования ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с.,т. е. выбора оптим. пути получения соединение с заранее заданной структурой. Конкретные методы синтеза-образование новой связи С—С, введение функциональных групп и др. изложены в статьях, посвященных реакциям (например, алкилиро-вание, Арбузова реакция, диеновый синтез, нитрование).

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

Осуществление ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. сопряжено с решением двух основные вопросов: 1) разработка общего плана синтеза, т.е. выбор оптим. исходных соединений 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 ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. составляют различные синтетич. методы, каждый из которых представляет собой стандартную совокупность одной или несколько реакций и приемов выделения продуктов, которые 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 соединений), селективность (участие в основные реакциях метода лишь определенных функциональных групп) и высокие выходы продуктов. Типичным примером эффективного синтетич. метода может служить синтез олефинов по Виттигу (реакции 1-3) из алкилгалогенидов и карбонильных соединений:

Осн. методы ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. можно разбить на три группы: 1) конструктивные, ведущие к образованию новых связей С—С, назначение которых-построение скелета будущей молекулы (например, реакция Гриньяра, реакция Фриделя-Крафтса, цикло-присоединение); 2) деструктивные, ведущие к разрыву определенных связей С—С с целью удаления той или иной группировки из молекулы после того, как ее роль в синтезе сыграна (например, декарбоксилирование, периодатное окисление диолов); 3) методы трансформации функциональных групп. Последнее важно для введения в молекулы исходных или проме-жут. соединение функциональных групп и их защиты (см. Защитные группы), требующихся для осуществления очередной конструктивной реакции, а на заключит. стадиях синтеза-для введения необходимых функциональных групп в целевое соединение.

Методы трансформации функц. групп (например, превращаются спиртов в алкилгалогениды, простые и сложные эфиры, карбонильные соединение и обратные им превращения) хорошо разработаны. Это позволяет говорить о синтетич. эквивалентности функциональных групп и целых фрагментов молекул, если они легко взаимопревращаемы. Например, 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 может быть восстановлена до спиртовой (5) или до СН₂-звена (6):

Принцип синтетич. эквивалентности позволяет использовать практически весь арсенал существующих реакций для сборки целевой структуры почти независимо от конкретного распределения (или отсутствия) в ней функциональных групп; например, 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 ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. понятия "синтон", под к-рым подразумевают реальные или нереальные (виртуальные) частицы, присоединение которых к субстрату соответствует введению в него определенной (обычно достаточно крупной и распространенной в органическое соединение) группы. Синтон-понятие абстрактное, описывающее в символич. виде результат к.-л. синтетич. операции. Ему должен соответствовать тот или иной реагент (реагенты), участвующий в реальной реакции. Так, например, записанной на синтонном языке реакции (7), ведущей к карбоновым кислотам, соответствуют реальные реакции (8 и 9), в которых 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 наиболее "распознаваемым" (т.е. хорошо разработанным и употребительным) синтонам. Так, например, целесообразным путем ретросинтетич. анализа карбоновых кислот 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 соответственно металлоорганическое соединение III и СО₂, а реальными реакциями, отвечающими такой разборке,-реакции 10 и 11:

Использование синтонного подхода в поиске оптим. путей синтеза позволяет в значительной мере формализовать (свести к набору некоторых руководящих правил) выбор пути ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с., основывавшийся ранее главным образом на личном опыте и интуиции исследователя. Синтонный подход позволяет иногда прийти чисто логич. путем к решениям эвристич. характера. Последнее связано главным образом с использованием "переполяризованных" синтонов, в которых вводимый в молекулу фрагмент характеризуется необычной, парадоксальной, с точки зрения обычных представлений органическое химии, полярностью или структурой. Примером может служить ретросинтетич. анализ альдегидов (12), ведущий к электроф. синтону R⁺, синтетич. эквиваленты которого традиционны, и "парадоксальному" синтону ^-СН=О. Последний может быть реализован путем использования его синтетич. эквивалента-метилен-дитиоацеталя (IV), включение которого в последовательность реакций (13) обеспечивает возможность генерирования карб-аниона (V) и получение целевого альдегида:

Т. обр., последовательность реакций (13) эквивалентна первоначальной парадоксальной разборке (12).

Наряду с традиц. синтетич. методами, обеспечивающими сборку одной связи в молекуле, большую роль играют методы, в которых реакция или последовательность реакций обеспечивает образование несколько связей и одновременно сборку крупного мол. фрагмента, как, например, 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 ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. используют несколько различные подходов. В логич. отношении наиболее 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 органическое молекулы можно написать множество ретросинтетич. схем, построенных на таком принципе. Это же справедливо и для большинства промежуточные соединение, возникающих на каждом шаге ретросинтетич. анализа. В результате строится "древо" решений, выбор оптим. пути в котором требует глубокого анализа. Исследование теоретич. основ ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. направлено, в частности, на создание методов отсечения наим. перспективных вариантов и поиск наиболее плодотворных. В этих исследованиях ключевое место занимает поня тие стратегии, связи, т.е. такой связи, с разборки которой целесообразно начинать ретросинтетич. анализ (для целевых и промежуточные соединение). 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. называют 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 ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с.) позволяет в ряде случаев находить неожиданные эвристич. решения, обеспечивающие высокую эффективность синтеза. Пример такого решения трехста-дийный синтез природные производных циклопентаноидов (14), осуществленных Г. Мета и А. Редди в 1981:

Третий принцип планирования состоит в выборе той или иной стратегич. реакции как ключевой стадии синтеза (например, построение присущего целевому соединение углеродного скелета) с последующей ретросинтетич. "подгонкой" целевой структуры к продукту этой реакции. Несмотря на то что такой путь обычно сопряжен с включением в схему синтеза ряда дополнительной стадий (введения, удаления или защиты функциональных групп), он нередко обеспечивает высокую эффективность схемы в целом, поскольку позволяет в одну-две стадии решить основные стратегич. задачу синтеза. Так, в кратчайшем из известных на сегодня синтезе стероидов (его разработали Р. Фанк и К. Фольгардт в 1980) задача создания полициклический скелета решается с помощью трех стратегич. реакций, выполняемых в одном реакционное сосуде без выделения промежуточные продуктов (схема 15):

"Болевая точка" многостадийного синтеза - низкий выход целевого продукта. При среднем выходе на стадию У общий выход на п стадий составляет Y_n = Yⁿ.

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

Др. путь повышения общего выхода - использование так называемой 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):

Для такой полностью конвергентной схемы зависимость общего выхода от числа стадий имеет вид , что обусловливает значительно более слабую зависимость Y_n от числа стадий (см. также табл.).

ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДА КОНЕЧНОГО ПРОДУКТА (В %) ОТ ЧИСЛА СТАДИЙ (средний выход одной стадии 80%)

Конвергентные схемы имеют также др. преимущества перед линейными: возможность разобщения сходных функц. групп по разным ветвям схемы, в результате чего значительно упрощаются задачи обеспечения селективности реакций (см. Региоселективностъ и региоспецифичность); возможность одновременной проработки различные ветвей схемы, а также внесения необходимых изменений в те или иные участки схемы без нарушения общего стратегич. замысла. Осуществимость конвергентного пути синтеза строится на использовании реакций, обеспечивающих возможность сборки молекул из крупных блоков, что, наряду с синтонным подходом, в значительной мере обусловило успехи ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ с. (синтез хлорофилла, витамина В₁₂, полинуклеотидов и др.) и перевод многих чисто препаративных синтезов в промышленные (например, синтез стереоидных гормонов и простагландинов).

Литература. Чижов ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ С., Чижов А ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ, Рациональное планирование сложного органического синтеза, М., 1986; Бочков А Ф , Смит В А., Органический синтез, М., 1987. А.Ф. Бочков.

Химическая энциклопедия. Том 3 >> К списку статей