Chemija · Pamoka

Retrosintetinis mąstymas ir sintezės planavimas

Pradėkite nuo tiksliai apibrėžto tikslinio junginio ir planuokite atgal, tada patikrinkite tiesioginės reakcijų krypties chemiją ir medžiagų balansą. Nuoseklius ir konvergentinius kelius palyginkite naudodami atskirus šakų kiekių balansus ir aiškiai nurodytą išeigos skaičiavimo atskaitą.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Atskirti retrosintetinį struktūros atjungimą nuo elektronų judėjimo.
Patikrinti siūlomą pirmtakų ryšį su produktu tiesiogine reakcijos kryptimi.
Apskaičiuoti nuoseklaus kelio išeigą pagal vieną medžiagos kiekio atskaitą.
Atskirai suskaičiuoti konvergentinio kelio ribojančios šakos kiekį, ilgiausią seką ir bendrą operacijų skaičių.

Prieš siūlydami kelią apibrėžkite tikslinį junginį

Sintezės tikslas apima atomų jungimosi tvarką, reikiamą konfigūraciją ir reikalingą medžiagos formą. Vien molekulinė formulė palieka daug galimų struktūrų. Planuodami atgal klauskite, kokie tiesioginių pirmtakų ryšiai galėtų duoti nurodytą tikslinį junginį, o tada – kaip gauti tuos pirmtakus. Retrosintezė yra planavimo samprotavimas, o ne fizikinis reakcijos vykdymas atgal.

Planavimo atjungimas pasirenka ryšį arba struktūros požymį, kurį norima supaprastinti. Jis skiriasi nuo kreivos elektronų judėjimo rodyklės, rezonansinių struktūrų ryšio ir pusiausvyros rodyklės. Įsivaizduojami fragmentai naudingi kaip struktūriniai vaidmenys; jie savaime nėra laisvieji jonai ar išskiriami reagentai buteliuose. Kiekvieną siūlomą kelią turi pagrįsti tiesioginės reakcijos modelis, suderinamumo įrodymai ir praktinis patikrinimas.

Sekite anglies skeletus abipus siūlomo atjungimo

Pasirinktam tiksliniam junginiui CH₃CH(OH)CH₂CHO, 3-hidroksibutanaliui, apsvarstykite C–C ryšio tarp CH(OH) ir CH₂ atjungimą. Taip anglies skeletas padalijamas į du fragmentus, kurių kiekvienas turi po du anglies atomus. Vieno fragmento anglies atomą, susijungusį su deguonimi, būtų galima sujungti su kito fragmento anglies donoru pagal pasirinktą prijungimo prie karbonilo grupės ryšį.

Simbolinis suminis aldolinio prijungimo virsmas iš dviejų etanalio vienetų išsaugo C₄H₈O₂ ir suteikia tokią atomų jungimosi tvarką. Tai patikrina vieną galimą struktūrinį ryšį. Tai nenustato tikrosios išskirto produkto išeigos, jo konfigūracijos, konkuruojančių reakcijų ar konkrečių reagentų formų, kurias vaizduoja atgalinis atjungimas. Tiesioginės reakcijos ryšių pokyčiams ir protonų perkėlimams vis tiek reikia atskiros apskaitos.

Nuoseklių išeigų sandaugai reikia bendros atskaitos

Sukurtam keturių stadijų keliui, kuriame kiekvienos stadijos molinis santykis yra vienas su vienu ir pradinis ribojančios medžiagos kiekis – 0.0100 mol, imkite išskirtų produktų molines išeigas 0.900, 0.850, 0.800 ir 0.750. Nuosekliai gaunami kiekiai yra 0.00900, 0.00765, 0.00612 ir 0.00459 mol. Padauginus visas keturias išeigas gaunama 0.459, arba 45.9% to pradinio medžiagos kiekio atžvilgiu.

Ši sandauga daro prielaidą, kad kiekvienos nurodytos stadijos išeiga skaičiuojama pagal iš ankstesnės stadijos gautą medžiagą, esant nurodytai stechiometrijai ir negrąžinant medžiagos į procesą. Keliui su kintančiais ribojančiais reagentais, šakomis, skirtingais stechiometriniais koeficientais ar susigrąžinama medžiaga reikia išsamesnio kiekių balanso. Grafike stadijos indeksas skaičiuoja operacijas, o ne praėjusį laiką ar reakcijos koordinatę.

Nuosekliai išskirti kiekiai pagal vieną nurodytą ribojančiąją medžiagą

Išlikęs kiekis / mmol

Užbaigtų operacijų skaičius

Išgalvota nuosekliųjų etapų medžiagos kiekių apskaita

Duomenys, kuriais remiamasi

Užbaigtų operacijų skaičius	Išlikęs kiekis / mmol
0	10 · Išgalvota nuosekliųjų etapų medžiagos kiekių apskaita
1	9 · Išgalvota nuosekliųjų etapų medžiagos kiekių apskaita
2	7.65 · Išgalvota nuosekliųjų etapų medžiagos kiekių apskaita
3	6.12 · Išgalvota nuosekliųjų etapų medžiagos kiekių apskaita
4	4.59 · Išgalvota nuosekliųjų etapų medžiagos kiekių apskaita

Originalus diskretus keturių etapų mokomasis medžiagos kiekių apskaitos pavyzdys, kuriame pradinis kiekis yra 10.0 mmol, stechiometrinis santykis – vienas su vienu, o sutartinės etapų išeigos – 90.0%, 85.0%, 80.0% ir 75.0%. Žymekliai rodo po kiekvienos užbaigtos operacijos išlikusius kiekius. Horizontalioji ašis žymi operacijų skaičių, o ne laiką; grafikas neatspindi nei tolydžios reakcijos eigos, nei išmatuotos išeigos kreivės.

Konvergentinės šakos susijungia pagal ribojantį turimą kiekį

Atskirame sukurtame tinkle A šaka prasideda nuo 0.0100 mol ir pereina stadijas, kurių išeigos 0.800 ir 0.900, todėl pateikia 0.00720 mol A. B šaka nepriklausomai prasideda nuo 0.0120 mol ir turi išeigą 0.750, todėl pateikia 0.00900 mol B. Jungiant A+B→T moliniu santykiu vienas su vienu, mažesnės šakos kiekis riboja didžiausią galimą T kiekį iki 0.00720 mol. Nurodyta jungimo išeiga 0.900 duoda 0.00648 mol T.

Pradinio A kiekio atžvilgiu tai yra 64.8%. B šakos 75.0% išeigą įtraukus į A šakos nuoseklių išeigų sandaugą būtų sumaišytos nepriklausomos medžiagos kiekio atskaitos. Atskiras B pradinis kiekis tebėra bendro išteklių balanso dalis. Turimi šakų kiekiai ir jungimo išeiga nenustato, kiek B susigrąžinama ar kokie praktiniai nuostoliai patiriami.

Trumpesnė ilgiausia seka nebūtinai reiškia mažiau operacijų

Keturių operacijų nuoseklaus kelio ilgiausios sekos ilgis yra keturi. Konvergentinis planas su dviem A šakos operacijomis, viena B šakos operacija ir viena jungimo operacija taip pat turi keturis virsmus, tačiau jo ilgiausios sekos iki T ilgis yra trys. Į jungimo etapą įeina dvi medžiagos jungtys, kurios atitinka vieną virsmą. Šias jungtis skaičiuojant kaip du atskirus jungimo etapus būtų padidintas operacijų skaičius.

Ilgiausia seka gali apibūdinti kelio gylį, o bendras operacijų skaičius – kitą jo sudėtingumo aspektą. Nė vienas iš jų savaime neįrodo trumpesnės vykdymo trukmės, mažesnės kainos, didesnės išeigos ar mažesnio poveikio aplinkai. Tokius palyginimus lemia tikroji operacijų trukmė, suderinamas apdorojimas, gryninimas, tiekimas ir išteklių naudojimas.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Po pasirinkto atjungimo suskaičiuokite anglies atomus

Nutraukite CH(OH)–CH₂ ryšį junginyje CH₃CH(OH)CH₂CHO.

Viename fragmente yra CH₃ ir CH(OH): du anglies atomai.
Kitame yra CH₂ ir CHO: du anglies atomai.
Norint vėl sujungti šiuos fragmentus pagal jų vaidmenis, reikia tinkamo tiesioginės sintezės modelio, o ne tiesiogine prasme išskirti nutraukus ryšį gautus fragmentus.

Siūloma dviejų anglies atomų ir dviejų anglies atomų karkaso schema; konfigūracija ir realus įgyvendinamumas dar nenustatyti.

Sudauginkite keturias išeigas nekeisdami atskaitos pagrindo

Naudokite pradinį 10.0 mmol kiekį ir nuoseklių etapų išeigas 0.900, 0.850, 0.800 ir 0.750.

Bendroji išeigos dalis = 0.900 × 0.850 × 0.800 × 0.750 = 0.459.
Galutinis kiekis = 10.0 × 0.459 = 4.59 mmol.

45.9%, skaičiuojant pagal nurodytą pradinį ribojančiosios medžiagos kiekį.

Nustatykite jungimo etapą ribojančią šaką

Naudokite atskiras šakas ir 90.0% išeigos A+B→T jungimo etapą.

Turimas A kiekis = 10.0 × 0.800 × 0.900 = 7.20 mmol.
Turimas B kiekis = 12.0 × 0.750 = 9.00 mmol.
Jungimo etapo didžiausias kiekis = min(7.20,9.00) = 7.20 mmol.
T = 7.20 × 0.900 = 6.48 mmol.

Pagal šį nurodytą kiekių balansą gaunama 6.48 mmol T; tai yra 64.8% pradinio A kiekio atžvilgiu.

Skaičiuokite virsmus, o ne įeinančias jungtis

Palyginkite keturias nuoseklaus kelio operacijas su dviem A operacijomis, viena B operacija ir jungimo etapu.

Nuoseklus kelias: keturi virsmai, gylis – keturi.
Konvergentinis kelias: 2 + 1 + 1 = 4 virsmai.
Jo ilgiausią kelią sudaro dvi šakos operacijos ir jungimo etapas: gylis – trys.

Bendras operacijų skaičius vienodas, tačiau ilgiausių sekų ilgiai skiriasi. Vykdymo trukmė ir kaina nenurodytos.

Pabandykite patys

Ar atgalinio planavimo struktūros atjungimas yra kreiva elektronų judėjimo rodyklė?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jos išreiškia skirtingus ryšius: pirmtakų planavimą ir elektronų porų arba pavienių elektronų apskaitą.
Ar nepriklausomų sintezės šakų išeigas visada galima sudauginti ir gauti vieną bendrą nuoseklios sintezės išeigą?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Kiekviena šaka turi savo pradinių medžiagų kiekį, o sujungimo etape ribojantį kiekį lemia stechiometrija.
Ar retrosintezėje naudojamas krūvį turintis fragmentas įrodo, kad laisvasis jonas egzistuoja kaip reagentas, kurį galima išskirti?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Jis gali žymėti struktūrinį vaidmenį, o tikrąją reagento formą reikia pagrįsti atskirai.
Ar trumpesnė ilgiausia seka reiškia, kad bendras virsmų skaičius yra mažesnis?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Taip pat reikia suskaičiuoti šakų operacijas ir sujungimus.

Ką verta įsidėmėti

Pirmiausia nurodykite struktūrą ir reikiamą konfigūraciją.
Derinkite planavimą nuo tikslinio produkto atgal su įgyvendinamumo vertinimu nuo pradinių medžiagų pirmyn.
Nuosekliųjų etapų išeigą skaičiuokite pagal tą pačią įvardytą medžiagą.
Prieš sujungdami konvergentinės sintezės šakas nustatykite, kurios medžiagos atsargos yra ribojančiosios.
Sintezės kelio gylį ir bendrą operacijų skaičių skaičiuokite atskirai.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.