Wprowadzenie do syntezy organicznej

organiczne) Jacek Skarżewski

WYDAWNICTWO NAUKOWE PWN

wprowadzenie do syntezy organicznej

i. ^f

•

WYDAWNICTWO NAUKOWE PWN WARSZAWA ŁÓDŹ 1999

Wprowadzenie do syntezy organicznej Jacek Skarzewski

>

Projekt okładki Maryna WHniewika

Redaktor Iwona Cos

Kedaktor U t h n i c z Jolanta Ku€zyńika

Korekta Ewa Juszyńska-Pora

rODRĘCZKIK AKADEMICKI DOTOWANY PRZEZ MINISTERSTWO EDUKACJI NARonoWHJ

Copyright Si by Wydawnictwo Naukowe P W N SA Warszawa 1999

I M N 83-01-12948-4

Wydawiiifiwo Nauktiwe PWN SA 0O-2S1 WaiSiiiwa. ul. Miodowa IG tel. (0-22) b95-4J-21 faki: (0-22) 826-71-6J e-mail: pwn#pwn-com.pl hltpy/wwłw. pwn. coin, p]

Wyflawiiicrwo Naukowe PU'M SA

W\danie pierws7.e Artusry druliarskith 19.50 Ski.id i łamaniec Monika RjoJltowiia, Maiwui Poradetlii Druk iikoikMno w paidiicrniku 1999 r. Druk i oprawa: UnikiiMiia Wydawnictw Naukowych SA Łćdi, ul. Żwirki 2

Przedmowa

Głównym polem działalności chemików jest przekształcanie jednych substancji chemicznych tych latwD dostępnych, w inne, o pożądanych właściwościach. To właśnie na drodze przemian chemicznych uzyskuje się liczne produkty, które później wykorzystywane są jako leki, środki ochrony roślin czy polimery. S[udiuj;^c chemię organiczna, słuchacz poznaje właści­ wości i sposoby reagowania różnycli yrup związków. Wiedza ta nie zawsze jednak wprost przynosi odpowiedź na pytanie o sposób otrzymania związ­ ku Cl założonej strukturze. Jak zatem poznać właściwą drogę syntezy? Czę­ sto moźliwycłl rozwiązań jest wiele, ale nie wszy.stkie są jednakowo dobre. Jak wybrać to najlepsze? Podręcznik ten jest próbą pod powiedzenia stu­ dentowi, w jaki sposób samodzielnie znajdować odpowiedzi na takie pyta­ nia. Lektura dalszych rozdziałów powinna też ułatwić studiowanie ze zro­ zumieniem współczesnych prac dotyczących syntezy złożonych produktów. Książka przedstawia krótko ogólną metodę racjonalnego projektowania syntezy; analizę reirosynieiycziią. Dyskutowane są elemeniy strategii w planowaniu syntezy cząsteczek złożonych oraz kryteria "A^boru prze­ kształceń takich grup funkcyjnych, by prowadziły do łatwiej dostępnych substratÓW- Tc podstawowe, oj^ólne zasady planowania syntezy ilustrowa­ ne są przykładami wykorzystującymi reiikcje na pewno znane czytelnikowi z podstawowego kursu chemii organicznej. Lektura tej części książki może być pożyteczna dla studentów, rozwiązujących swe pierwsze zadania z syn­ tezy. Zwłaszcza w łych rozdziałach zostały wprowadzone nowe pojęcia i terminy, a ich pierwsze użycie (definicje) sygnalizowane jest w tekście kursywą. W dalszej części opisane są vs'}'brane współczesne „narzędzia" syntezy: niektóre selektywne metody przekształcania grup funkcyjnych, główne gru­ py ochronne oraz podstawowe zastosowania związków metalo- i metaloidoorganicznych w reakcjach zmierzających do konstrukcji szkieletu węglo­ wego. Stosowane przemiany mogą okazać się mniej znane. W takich przy­ padkach, obok cytowanej na końcu każdego rozdziału literatury uzupełnia-

Przedmowa jącej, czytelnik może sięgnąć do znakomitej monogr;ifiij. Marcha {Chemiaorganiczna: Reakcje, mechanizmy, budowa, PWN. 1975 lub w oryginale: Advimced Organie Chemistry. J- Wiley, 1992) i tarn znaleźć niezbędne informacje na te­ mat mechanizmu reakcji, a także jej stosowalności i ograniczeń. Miiym obowiązkiem autora jesi podziękowanie wszystkim, którzy przy­ czynili się do powstania tego podręcznika. Szczególnie wdzięczny jestem P-ani Prof. Marii D. Rozwadowskiej (UAM) za życzliwą uwagę poświęconą te­ mu przedsięwzięciu tak na etapie oceny konspektu, jak i za wnikliwą oraz rzeczową recenzję maszynopisu. Podziękowania za cenne uwagi kieruję również pod adresem Pana Prof. Józefa Góry (PL). Za mile słowa zachęty i wszechstroiuią współpracę dziękuję Pani Redaktor Wacławie 'larocińskiej z Wydawnictwa Naukowego PWN w bxtzi. Jacek Skarżewski

Spis treści

Przedmowa

5

Wykaz stosowanych skrótów

11

1. Plaiiowaiiic syntezy: wybór właściwych reakcji

13

2. Analiza retrosyntetyczna 3. Strategia syntezy 3.1. Zasada kolejnych uproszczeń struktury 3.2, Zasada iiiiiiimalncj liczby ciapów 3-3. Synit^za liniowa i zbieżna 3.4, Reguły dyskonekcji 3.4.1. Wykorzystanie symetrii cząsteczki docelowej i materiału wyjŚL-iowcgo 3.4.2. Dyskonckcja w tnicjscu rozgałęzienia 3.4.3. Dyskonckcja miedzy tańcucht-ni a piL-rścicniem. . . . . . . . . . . . 3.4.4. Identyfikacja fragmenrów dwufunkcyjnych 3.4.5. Strategia dyktowana reakcją kluczową 3.4.0- Strategia dyktowana dostępnymi matLTialami wyjściowymi.., 3.4.7. Uproszczenie struktury przez przekształcenia grup funkcyjnych 3--},S- Aktywacja dodatkową grupą funkcyjną 3.4,9. OdwTÓcenie polaryzacji grup funkcyjnych (Umpnlung)

18 26 26 27 28 30

4. Przekształcenia grup funkcyjnych 4-1. Selektywność i specyficzność reakcji 4.2. Hedukcja 4.2.1. Redukcja wiązań wielokrotnych węgiel-węgiel 4.2.2. Redukcja grup karbonylowych 4.2.2.1. Redukcja pochodnych kwasów karboksylowych do aldehydów 4.2.2.2. Redukcja związków katbonyiowych do alkoholi . . . . . 4.2.2.3. Redukcja związków karbonylowydi do węglowo­ dorów 4.2.3. Redukcja związków azotowych

53 53 57 58 64

30 33 34 36 40 43 46 46 48

65 65 69 70

8

Spis treści

4-3.

i ; .. 4.4. 4.5.

4.6.

4.2.3.1. Redukcja amidów 4.2.3.2. Redukcja nitryli 4.2.3.3. Redukcja imin i oksymów 4.2.3.4. Redukcja związków nitrowych 4.2.3.5. Redukcja azydów 4.2.4. Rediiktywne usunięcie heteroatomu z cząs{cczki Reakcje utleniania 4.3.1. Uileniaiiie węglowodorów nasyconych (C ,) 4.3.2. Utlenianie węglowodorów nienasyconych i aromaty­ cznych (C,,) 4.3.3. Uileniaiiie'alkoholi 4.3.3.1. Utlenianie alkoholi picrwszorzędowych do aldehydów 4.3.3.2. Utlenianie alkoholi drugorzędowych do k e t o n ó w . . . . 4.3.3.3. Utlenianie alkoholi i aldehydów do kwasów karboksyI0W7CI1 i pochodnych 4.3.3,4. Rozszczepienie wicynalnych dioli. 4.3.4. Utlenianie heteroatomów Reakcje eliminacji Selektywne przekształcenia aldehydów, ketonów, kwasów karboksylowych i ich pochodnych 4.5.1, Aldehydy i ketony 4.5.2, Kwasy karboksylowe i ich pochodne Grupy ochronne 4.6.1. Metody usuwania jjrup ochronnych 4.6.2. Ochrona grup hydroksylowych 4.6.3. Ochrona grup aminowych 4.6.4. Ochrona grup karbonylow^ch w aldehydach i ketonach 4.6.5. Ochrona grup karix)k.sylowych 4.6.6. Ochrona innych grup funkcyjnych 4.6.7. Strategia wyboru giup ochronnych

70 71 72 73 74 75 76 77 79 92 93 97 98 100 102 104 109 109 110 114 116 119 122 124 126 127 127

5, Klasyczne metody budowy szkieletu węglowego 3.1. Synteza związków niuiiofunkcyjnych 5.2. Synteza związków dwu funkcyjnych 5.3. Zastosowania aldehydów i keionów 5.3.1. Związki karbonylowc jako odpowiedniki syntonów d^ 5.3.2. Związki karbonylowc jako odpowiedniki syntonów a' 5.4. Zastosowania kwasów karboksylowych i ich pochodnych

129 129 133 139 140 145 148

6. Nowsze metody budowy szkieletu węglowego. Zastosowania związków nietalu-i metaloidoorganicznych 6.1. Selektywne litowanie układów aromatycznych 6.2. Zastosowania związków miediioorganicznych 6.3. Zastosowania reakcji katalizowanych kompleksami palladu 6.4. Za&to.suwania reakcji zredukowanych związków tytanu 6.5. Zasto.sowania jodku saniaru(ll) 6.6. Reakcje rodnikowe indukowane związkami cynocrganicznymi

156 156 159 163 171 174 175

Spis treści 6.7. Zastosowania organicznych związków krzemu 6.8. Zastosowania organicznych związków fosforu 6.8.1. ileakiywność związków fosforoorganicznych 6.8.2. Zastosowania ylidów fosforowych. Reakcja Williga 6.8.3. Zastosowania związków fos fory Iowy eh. Reakcja Hornera i Horncra-Wodswortha-Emmonsa 6.8.4. Prz