Posted on

Изкуството да пишеш разумни механизми за органична реакция

This is the translation. The source page is located here: http://www.uky.edu/~rbgros1/textbook.html

Cover of the textbookИзкуството да пишеш разумни механизми за органична реакция, трето издание

(или, Как да преминете вашите костюми)

от Робърт Б. Гросман/Robert B. Grossman

Можете да поръчате Изкуството да пишеш разумни механизми за органична реакция, трето издание, от издателя Springer, Amazon.com или други доставчици за $84,99 или по-малко. (Пазарувайте наоколо; обикновено можете да го намерите някъде в продажба. С цел намаляване на разходите се предлагат твърди корици, меки корици и електронни версии.)

Преподавам двудневен „кратък курс“, базиран на тази книга, който е предназначен за органични химици на ниво BS и MS и аналитични и биологични химици и химически инженери на ниво докторска степен във фармацевтичната индустрия и индустрията за синтез на договори. Моля, свържете се с мен, ако се интересувате да ме заведете на сайта на вашата компания, за да преподавам курса.

Целта на Изкуството да пишеш разумни механизми за органична реакция (AWRORM) е да научи студентите как да нарисуват разумни механизми за органични реакции, като се използват условията на реакцията и естеството на изходните материали като основа за механизма. Общият подход на книгата е да класифицира реакциите според техните механизми и реакционните условия, при които те протичат, а не според трансформациите, които постигат.

Нивото на трудност на AWRORM е подходящо за студенти, които са взели два семестъра по органична химия. Това не е нов или допълнителен учебник за втори курс по органична химия, нито е справочен текст за ученици, които вече са усвоили всички тънкости на механизмите за писане. AWRORM предполага, че учениците имат основни познания за конвенциите за рисуване на органични структури. Предполага се също така, че учениците са имали много малко инструкции по механистични понятия като нуклеофилност, електрофилност и природата на радикалните верижни реакции.

AWRORM има редица функции, които го правят различен от всички останали учебници по механизми на пазара.

  • AWRORM е много практична книга с инструкции, която има за цел да покаже на ученика как да мисли логично и аналитично за органичните реакционни механизми. Студентите са помолени да се научат как да нарисуват разумни органични механизми за определени реакции; където могат да бъдат написани повече от един разумен механизъм, от учениците не се изисква да научат, че единият е „правилен“, а другият „грешен“. На студента се предоставят практически съвети относно нещата, които трябва да прави и да не прави, когато рисува механизми. „Чести предупреждения за грешки“ са разпръснати из целия текст, за да предупредят учениците за често срещани грешки и да покажат как могат да ги избегнат. Работени и необработени примери за всеки механистичен тип са представени във всеки раздел, така че ученикът да усети най-често срещаните механистични пътища. Преглед на най-важните точки е даден в края на всяка глава.
  • AWRORM е организиран така, че да отразява мисленето на човек, докато озадачава проблема. Моята философия е, че предложеният механизъм за органична химия трябва да произтича естествено от естеството на изходните материали и условията на реакцията, а книгата е организирана така, че да отразява тази философия. Например повечето учебници обсъждат електрофилно ароматно заместване и нуклеофилно ароматно заместване в същата глава. За разлика от това, AWRORM обхваща нуклеофилно ароматно заместване веднага след като обхваща заместване в карбонилни съединения, тъй като механизмите са идентични; електрофилното ароматно заместване е обсъдено в друга глава.
  • AWRORM е силно фокусиран. Дискусиите по теорията са сведени до минимум, освен ако теорията не възпрепятства пряко как човек би начертал механизъм за въпросната реакция, а дискусиите защо реакциите избират един курс от много възможности също обикновено се пропускат (с няколко големи изключения). AWRORM определено няма за цел да запознае учениците с методите, чрез които експериментално се определят механизмите (физическа органична химия), така че не е включено обсъждане на кинетичния анализ, изотопните ефекти, парцелите на Хамет и др. AWRORM също определено няма за цел да научи учениците как да планират синтез.
  • В края на всяка глава е изчерпателен набор от проблеми. Всички проблеми са извлечени от литературата. Те се различават по трудност от лесни до много предизвикателни, но повечето могат да бъдат решени от всеки ученик (не само много талантлив), който е положил искрени усилия да овладее материала. (AWRORM превъзхожда много други учебници в това отношение.)  Ключът за отговор е предоставен в отделен том, който може да бъде изтеглен директно от Springer без допълнителни разходи, а решенията в него са написани по такъв начин, че да покажат на ученика как отговорите могат да бъдат озадачени. Ново! Вече можете да работите с проблемите в края на главата на AWRORM в ACE Organic, уеб-базирана, интерактивна програма за домашна работа по органична химия, която ви казва защо вашият механизъм е разумен или неразумен, без да дава правилния отговор.
  • Материалът, покрит с AWRORM, отразява широтата на съвременната органична химия. Книгата не е предназначена да бъде изцяло изчерпателна, но се полагат усилия да обхване важните области на органичния синтез. Реакциите, които не се използват широко или са до голяма степен заместени, обикновено не се обсъждат и често се споменават по-нови реакции и реагенти. Например циклоароматизациите се обсъждат като принципно нов метод за генериране на радикали. В същото време значението на класическата химия в съвременния синтез не се пренебрегва.
  • Уникална характеристика на тази книга сред книгите с органични механизми е включването на глава за реакциите, медиирани и катализирани от преходни метали. Работещите познания за механизмите на тези реакции са необходими за практикуващия органичен химик, но те обикновено не се обсъждат в учебниците или часовете по органична химия. Органометалните учебници обхващат тези теми в детайли, но обикновено от гледна точка на неорганичен химик, а не от гледна точка на органичен химик, който се опитва да озадачи пътя си чрез механизъм.

Моля, обърнете внимание: AWRORM е не физически органична химия учебник! Моят опит е, че учениците не могат да научат физическа органична химия, експерименталните методи, чрез които се тестват предложените механизми за органична реакция, ако първоначално не могат да предложат разумен механизъм за органична реакция. AWRORM е предназначен да се използва в курс, който се намесва между второкласната органична химия и физическата органична химия. Не е така предназначени да заменят учебници като Лоури и Ричардсън, Кари и Сундбърг Част A или Карол. Много училища не предлагат курс по „тласкане на електрони“, очаквайки техните аспиранти да са научили този материал като бакалавър или да го вземат сами; ученици в училища като тези биха имали голяма полза от изучаването на AWRORM сами.

Докато приключите с изучаването на AWRORM, трябва да имате много по-добро разбиране защо органичните реакции протичат по начина, по който те вършат. Също така би трябвало да ви е много по-лесно да полагате вашите оценки (писмени квалификационни изпити)!

Научете повече за Робърт Б. Гросман или неговата изследователска програма по синтетична органична химия.

Posted on

Чертеж на механизмите

This is the translation. The source page is located here: http://www.uky.edu/~rbgros1/CHE230/handouts/drawmechs.HTML

ХИМИЯ 230

Университет в Кентъки

Често срещан въпрос на изпит по органична химия е „Начертайте механизма на тази реакция“. Следващите инструкции трябва да ви помогнат да разберете как да разрешите този вид проблем.

Моля, имайте предвид, че запомнянето на тези инструкции няма да ви научи как да рисувате механизми. Единственият начин да се научите да рисувате механизми е чрез практика. Въпреки това, ако следвате тези инструкции, докато практикувате, бързо ще разберете механизмите за рисуване.

  1. Спазвайте правилото на Гросман. (Изтеглете всички Н атоми и връзките с тези Н атоми близо до реактивните центрове.) Не бихте повярвали колко полезна може да бъде тази стъпка.
  2. Балансирайте уравнението.  Ако липсват някакви атоми от изходния материал, те вероятно са в копродукт, който не е показан. Нарисувай го.
  3. Номерирайте не-Н атомите на изходните материали. Не забравяйте да номерирате атомите на изходните материали над или под реакционната стрелка. Номерирайте всички не-Н атоми, включително хетероатоми, напускащи групи и т.н.
  4. Обозначете съответните атоми в продуктите със същите номера, които имат в изходните материали. Тази задача звучи тривиално и бебешки, но е по-трудна, отколкото звучи. Просто го направи.
  5. Идентифицирайте кои σ връзки се разкъсват и кои σ връзки се  образуват в хода на реакцията и ги запишете. (Не включва π връзки, те естествено ще се озове в правилните места, ако сигма облигации са правилни.) Например:
    Направете Прекъсване
    C2–O3 C2–Br7
    C6–Br8 O3–C6
    Br7–Br8
  6. Определете дали механизмът е полярна или свободна радикална верига.
    • Ако механизмът е полярен, определете дали условията са киселинни или основни. Ако механизмът е кисел, вероятно ще трябва да протонирате хетероатом или π връзка като първата си стъпка. Ако механизмът е основен, може да се наложи да депротонирате киселинен атом като първа стъпка, или може би ще стимулирате реакция на елиминиране на Е2.
    • Ако механизмът е верига със свободни радикали, трябва да нарисувате стъпка на иницииране и стъпка на разпространение. Признаци, че механизмът на свободните радикали работи: въздух, O2, пероксид (съдържа C–O–O–C) като (BzO)2 или (t-BuO)2 (но не и хидропероксид като H2О2 или t-BuOOH), присъствието на hν или NBS или NCS и топлина в отсъствието на нуклеофил. Правила за рисуване на верижни механизми със свободни радикали.
  7. Начертайте стрелки с електронен поток, започвайки от единични двойки или π връзки и завършващи при атоми, съществуващи връзки или започват (новообразуващи се) връзки. Стрелките с електронен поток показват движението на електроните. Стрелката на електронния поток трябва да започва от източника на електрони и да завършва там, където отиват електроните. Не започвайте стрелка с електронен поток при H+; H+ няма електрони, така че стрелката с електронен поток не може да започне там. Ако правите нова σ връзка между два атома, стрелката на електронния поток трябва да сочи между двата атома, тъй като започващата връзка, която ще съдържа електроните, се намира между атомите.
  8. Докато преминавате през механизма, съсредоточете се върху списъка с облигации, които трябва да направите или прекъснете, и зачеркнете всяка връзка в списъка си, докато се грижите за нея.

Робърт Б. Гросман/Robert B. Grossman

Posted on

Как да нарисуваме верижен механизъм със свободни радикали

This is the translation. The source page is located here: http://www.uky.edu/~rbgros1/CHE230/handouts/freeradchainrules.HTML  

CHE 230

Университет в Кентъки

Механизмите на свободните радикали следват собствените си правила. Те се състоят от три части: иницииране, разпространение и прекратяване. (Не изисквам от вас да начертаете стъпки на прекратяване.) Верижните реакции на свободните радикали, както всички реакции, имат стехиометрични изходни материали и продукти, но верижните реакции на свободните радикали могат да имат и отделни инициатори, които често присъстват в каталитични количества.

Моля, обърнете внимание, че запомнянето на тези правила няма да ви научи как да рисувате верижни механизми със свободни радикали. Единственият начин да се научите да рисувате верижни механизми със свободни радикали е чрез практика. Ако обаче следвате тези правила, докато практикувате, бързо ще се хванете да нарисувате верижни механизми със свободни радикали.

  • Свободнорадикалната реакция съдържа стехиометрични изходни материали и може да съдържа и инициатор, който присъства в субстехиометрични (каталитични) количества.
  • Механизмът на свободните радикали се състои от три части: иницииране, разпространение и прекратяване.
  • Иницииращата част превръща стехиометричния изходен материал в свободен радикал, съединение с единичен несподелен електрон. (Стехиометричните изходни материали изключват катализатори и инициатори Въпреки това, в автоокисляване реакции, О2 често действа като двете инициатор и стехиометрично изходен материал.) Общи стъпки за иницииране:
    • хомолиза на σ-връзка на стехиометричен изходен материал като Br2 или съединение със C–I връзка;
    • O2 абстрахира H от X–H връзка в стехиометричен изходен материал;
    • хомолиза на σ-връзка на инициатор като ROOR или RN=NR, за да се получи съответно RO· или R·, последвано от абстракция на H от X–H връзка в стехиометричен изходен материал;
    • само при полимеризация със свободни радикали, хомолиза на σ-връзка на инициатор, последвана от добавяне на радикала към С=С връзка на стехиометричен изходен материал.
  • Последната стъпка от иницииращата част произвежда свободните радикали в първата стъпка на размножителната част, а последната стъпка от размножителната част също произвежда свободните радикали в първата стъпка на размножителната част. С други думи, частта за разпространение е кръгла, където последната стъпка от частта за разпространение произвежда радикала, необходим за започване на друг цикъл на частта за разпространение.
  • Всяка стъпка в частта за разпространение трябва да има нечетен брой несподелени електрони (обикновено един, но понякога и три) от всяка страна на стрелката. Две съединения, съдържащи по един споделен електрон, всеки, никога, никога не се комбинират в частта за разпространение.
  • Всеки стехиометричен изходен материал трябва да се появи като такъв в частта за разпространение, дори ако се появява и в иницииращата част. Следствие: Най-малко един стехиометричен изходен материал ще се появи  два пъти в механизма: веднъж в иницииращата част и веднъж в размножителната част.
  • Всеки стехиометричен продукт се произвежда в размножителната част, дори ако се произвежда и в иницииращата част.
  • В частта за разпространение не се появява парче от инициатора. Изключения:
    • При полимеризацията със свободни радикали, фрагмент от инициатора се задържа в края на полимерната верига.
    • При реакциите на автоксидация О2 често действа едновременно като инициатор и като стехиометричен изходен материал.
  • Тъй като частта на разпространение на механизма на свободните радикали е кръгова, често е възможно да се инициира реакция на свободните радикали по различни начини, навлизайки в цикъла на разпространение в различни точки чрез генериране на различни радикали на частта за разпространение в иницииращата част. Например в разпространяващата се част на реакцията Br2 + R–H → R–Br + HBr има два свободни радикала, R· и Br·. Реакцията може да се инициира чрез хомолиза на Br2 до получаване Br·, или може да се инициира чрез извличане на Н атом от R-H с О2 до получаване на R·.
  • Терминационната част се състои от няколко едноетапни реакции, във всяка от които две съединения, съдържащи по един споделен електрон, всеки се комбинира или в комбинация радикал-радикал, или в диспропорция. В диспропорция, единият радикал абстрахира Н от атома С до радикалния атом на другия радикал.

Често срещани грешки при изтеглянето на верижно-радикални механизми:

  • Инициаторът или част от него се появява в частта за разпространение.
  • Два радикала могат да се комбинират един с друг в размножителната част.
  • Един от стехиометричните изходни материали се появява в иницииращата част, но не и в частта за разпространение.
  • Повече от един продукт от иницииращата част се появява в частта за разпространение.
  • Последната стъпка от иницииращата част не произвежда радикала, който се появява в първата стъпка от размножителната част.