Określanie polarności – to może pomóc!

Kluczową sprawą dla zrozumienia chemii i syntezy organicznej jest nauczenie się odpowiedniego “patrzenia” na cząsteczki związków organicznych reprezentowane przez ich wzory (strukturalne i wszelkie mutacje). Taka analiza powinna poruszać nie tylko kwestie związane z budową przestrzenną związków organicznych, ale również te związane ze strukturą elektronową. Często odnoszę wrażenie, że studenci traktują każdy związek i każdą reakcję w chemii organicznej jako zupełnie niezależne i z niczym nie powiązane.¹ W takiej sytuacji nauka chemii organicznej, rozumianej jako zbiór wiedzy o milionach związków organicznych i tysiącach reakcji musi uchodzić za coś niewykonalnego.

Dzisiaj, na przykładzie prostego estru, postaram się pokazać jak w logiczny sposób można zaplanować syntezę związku organicznego. Zobaczymy, że nie jest do tego potrzebna ogromna wiedza z zakresu chemii organicznej.

Obiektem naszego zainteresowania będzie maślan metylu (butanian metylu). Po narysowaniu wzoru tej cząsteczki zabieramy się do analizy (obrazek po prawej stronie). W kroku pierwszym zajmujemy się atomami wchodzącymi w skład grupy funkcyjnej – należy przyporządkować im ładunki cząstkowe, które wynikają z elektroujmeności heteroatomów (tutaj: tlenu) i polarności poszczególnych wiązań. Takie analizy możecie znaleźć w typowych akademickich podręcznikach z zakresu chemii organicznej. W drugim kroku po prostu zmieniamy formę zapisu i przypisujemy każdemu z atomów z grupy funkcyjnej polarność. W kroku trzecim – rozciągamy tę teorię na całą cząsteczkę (lub jej fragment, jeśli cząsteczka jest bardzo duża).

Po co to robimy? Postaramy się w ten sposób sprowadzić niezrozumiałe zasady rządzące reakcjami w chemii organicznej do bardzo prostych reguł (praktycznie – z życia wziętych). Na przykład oczywistością jest stwierdzenie, że przeciwieństwa się przyciągają – albo (z lekcji fizyki), że ładunki różnoimienne przyciągają się. Dokonując wspomnianej analizy cząsteczki maślanu metylu wskazaliśmy, które atomy w cząsteczce są spolaryzowane ujmenie, a które dodatnio.² Wskazaliśmy, które atomy w cząsteczce się “przyciągają”. Oznacza to, że wiązania między takimi atomami będzie można stworzyć w reakcji chemicznej, o ile zagwarantujemy, że w substratach te szczególne atomy będą miały taką samą polarność, jak w produkcie.

Krótko mówiąc – mamy taką cząsteczkę, określiliśmy polarność poszczególnych atomów:

więc teraz przetniemy każde z wiązań (dokonamy dyskonekcji) i zobaczymy co się stanie.

Dyskonekcja A

Przecinamy wiązanie we wskazanym miejscu – elektrony wędrują (zgodnie z określoną w analizie polarnością) do atomu tlenu i otrzymujemy formalnie dwa jony (będziemy je nazywali syntonami; naładowany dodatnio – synton akceptorowy, naładowany ujemnie – synton donorowy): anion kwasu karboksylowego i karbokation metylowy. Oznacza to, że żeby otrzymać ester należy przeprowadzić reakcję właśnie pomiędzy tymi jonami. Może być to problematyczne – chociażby dlatego, że jonom zawsze muszą towarzyszyć przeciwjony (zasada elektroobojętności; nie możemy kupić w sklepie po prostu jonu octanowego – coś musi mu towarzyszyć ;) ). Dlatego potrzebujemy równoważników syntetycznych tych syntonów, tzn. czegoś co mogło by udawać same jony. Np. zamiast samego jonu karboksylanowego możemy użyć soli sodowej, a zamiast karbokationu metylowego – tosylanu metylu (określ polaryzację atomu węgla w grupie CH₃). W ten sposób karboksylan ma centrum spolaryzoane ujemnie (centrum nukleofilowe), tosylan metylu – centrum spolaryzowane dodatnio (centrum elektrofilowe) – plus z minusem się przyciągają, więc mamy reakcję! Byłaby to w tym wypadku zwykła reakcja podstawienia nukleofilowego S_n2. Proste? Proste.

Dyskonekcja B

Dyskonekcja kolejnego wiązania prowadzi do dwóch syntonów. Synton donorowy może być reprezentowany przez cząsteczkę metanolu. Równoważnikiem syntetycznym syntonu akceptorowego może być chlorek kwasowy (kwas karboksylowy będzie również się nadawał). I znowu: centrum elektrofilowe – atom węgla grupy karbonylowej, centrum nukleofilowe – atom tlenu z grupy OH metanolu. Plus z minusem się przyciągają – jest reakcja.

Dyskonekcja C

Dyskonekcja podobna do poprzedniej, bo również dotyczy wiązania wychodzącego z karbonylowego atomu węgla. Synton akceptorowy wygląda tym razem jak cała grupa estrowa. Równoważmikami syntetycznymi takich syntonów mogą być chloromrówczany (np. chloromrówczan metylu jak w tym wypadku) lub węglany organiczne (tutaj pasowałby węglan dimetylu). Syntonowi donorowemu może odpowiadać związek metaloorganiczny, np. związek Grignarda.

Dyskonekcja D

Bardzo ważna dyskonekcja. Synton donorowy może odpowiadać jakiemuś karbanionowi (pozycja α w stosunku do grupy karbonylowej). Można taki karbanion otrzymać bezpośrednio z octanu metylu, ale bardziej odpowiedni będzie ester malonowy. Elektrofilowym partnerem do reakcji może być halogenek alkilowy – bromek etylu.

Dyskonekcja E

I ostatnia dyskonekcja. Tutaj dochodzimy do syntonu donorowego, którego równoważnikiem syntetycznym może być związek metaoorganiczny (np. związek Grignarda). Odpowiednikiem syntonu akceptorowego powinien być w tej sytuacji α,β-nienascony ester. Jeśli taką reakcję przeprowadzimy w obecności związków miedzi, to dostaniemy produkt 1,4-addycji.

W ten sposób pokazałem jak systematyczna i oparta na zdroworozsądkowych zasadach (przeciwieństwa się przyciągają) analiza retrosyntetyczna pozwala na zaplanowanie syntezy bardzo prostego związku organicznego. Spróbujcie przeprowadzić taką analizę na dowolnie wybranych molekułach, mam nadzieję, że dojdziecie do ciekawych wniosków.

[1] Może po prostu trzeba o tym więcej mówić?
[2] Należy to rozumieć jako zabieg mentalny, a nie dosłowne określenie choćby nawet ładunku cząstkowego. Trudno oczekiwać, żeby w długich łańcuchach węglowych sąsiadujące ze sobą atomy węgla raz były dodatnie, a raz ujemne. Trzeba pamiętać, że takie przypsanie polarności wszystkim atomom węgla ma na celu znalezienie substratów do syntezy (to w substratach musi być taka polarność).

Podziel się!