Стратегия органического синтеза

ИЗДАТЕЛЬСТВО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

2-е издание

Учебно-методическое пособие

А. С. Панькова, М. М. Ефремова, 
Н. В. Ростовский 

СТРАТЕГИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО 
СИНТЕЗА

УДК  547
ББК  24.2
 
П16

А вторы:  
канд. хим. наук, доц. А. С. Панькова (предисловие, введение, гл. 2, 3, заключение); 
канд. хим. наук, ст. преп. М. М. Ефремова (гл. 1);  
канд. хим. наук, доц. Н. В. Ростовский (гл. 4)

Рецен з ен ты:  
д-р хим. наук, проф. А. А. Карцова (С.-Петерб. гос. ун-т);
д-р хим. наук, проф. З. П. Белоусова (Тольяттинский ун-т)

Рекомендовано к публикации Методическим советом 
Академической гимназии им. Д. К. Фаддеева 
Санкт-Петербургского государственного университета

П16
Панькова А. С., Ефремова М. М., Ростовский Н. В.
Стратегия органического синтеза: учебно-методическое пособие. 
2-е изд. — СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2022. — 94 с.
ISBN 978-5-288-06245-2

Учебно-методическое пособие знакомит с понятием ретросинтетического анализа и рассматривает его применение на примерах — задачах по планированию синтеза 
органических соединений заданного строения. В каждом разделе даются краткие сведения о ключевых терминах, реакциях и основных реагентах, используемых на практике. 
В конце разделов приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельной работы 
и лучшего усвоения материала.
В отличие от классического учебника по органической химии, основной целью пособия является не описание свойств и способов получения определённых классов органических соединений, а демонстрация принципов анализа целевой структуры и поиска 
рационального пути синтеза.
Предназначено для учащихся Академической гимназии им. Д. К. Фаддеева СПбГУ, 
а также может быть полезно всем школьникам и студентам младших курсов, интересующимся органической химией.

УДК 547 
ББК 24.2

© Санкт-Петербургский 
государственный университет, 2021
©  А.С. Панькова, М.М. Ефремова, 
Н.В. Ростовский, 2021
ISBN 978-5-288-06245-2 

Оглавление

Предисловие ...................................................................................................  
5

Введение ..........................................................................................................  
6

Глава 1. Стратегии перехода между основными классами  
органических соединений ............................................................  
8

1.1. Генетическая связь органических соединений ................................... 
8

1.2. Взаимопревращения ациклических углеводородов: алканов, 
алкенов, алкинов и их галогенпроизводных ........................................ 
9

1.2.1. Получение насыщенных углеводородов из ненасыщенных  .......  
9

1.2.2. Получение ненасыщенных углеводородов из насыщенных ........  
10

1.2.3. Получение моногалогеналканов из углеводородов .......................  
11

1.2.3.1. Получение галогеналканов из алканов ........................................  
11

1.2.3.2. Получение галогеналканов из алкенов ........................................  
12

1.3. Реакции нуклеофильного замещения в галогеналканах  
и спиртах как способ синтеза широкого круга функциональных 
производных ................................................................................................ 
16

1.4. Взаимные превращения основных классов кислородсодержащих 
органических соединений ........................................................................ 
20

1.4.1. Окисление спиртов  ................................................................................  
20

1.4.2. Окисление карбонильных соединений  .............................................  
22

1.4.3. Восстановление альдегидов, кетонов и карбоновых кислот  
до спиртов ..................................................................................................  
23

1.5. Карбоновые кислоты и их производные в органическом синтезе . 
25

1.6. Взаимные превращения основных классов азотсодержащих 
органических соединений ........................................................................ 
27

1.6.1. Амины .........................................................................................................  
28

1.6.2. Соли диазония ..........................................................................................  
30

1.7. Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильной группе 
в органическом синтезе ............................................................................ 
32

Глава 2. Введение заместителей в ароматическое кольцо ..................  
36

2.1. Примеры функционализации аренов  ................................................... 
36

2.2. Наиболее часто используемые реагенты электрофильного 
замещения в аренах ................................................................................... 
46

2.3. Особенности нуклеофильного замещения в аренах .......................... 
48

Глава 3. Конструктивные реакции. Формирование новых  
углерод-углеродных связей в реакциях конденсации ...........  
50

3.1. Альдольно-кротоновая конденсация  .................................................... 
50

3.2. Реакция Кневенагеля ................................................................................. 
54

3.3. Реакции гидрокси- и аминометилирования ......................................... 
58

3.4. Сложноэфирная конденсация .................................................................. 
60

Глава 4. Стереоселективный синтез ..........................................................  
66

4.1. Основы стереохимии ................................................................................. 
66

4.2. Стереоселективные реакции .................................................................... 
72

4.2.1. Реакции алкенов ......................................................................................  
72

4.2.2. Реакции нуклеофильного замещения SN2 .........................................  
75

4.2.3. Реакции элиминирования .....................................................................  
75

4.2.4. Реакции восстановления .......................................................................  
76

4.2.5. Реакция Виттига .......................................................................................  
78

4.2.6. Реакция Дильса — Альдера (диеновый синтез) ................................  
79

Заключение .....................................................................................................  
88

Ответы к заданиям для самостоятельного решения .............................  
89

Рекомендуемая литература .........................................................................  
93

Предисловие

Целью написания учебно-методического пособия стало желание познакомить читателя с основами планирования органического синтеза, показать 
способ взглянуть на сложную молекулу как на конечный результат сборки 
конструктора, элементами которого являются простые вещества и реагенты. 
Поэтому логика изложения материала отличается от стандартных классических учебников по органической химии: авторы не ставили перед собой задачу 
последовательно описать методы синтеза и свойства определённых классов 
органических соединений и не претендуют на полноту охвата всех областей 
органической химии. Наоборот, по умолчанию предполагается, что читатель 
знаком с основами предмета и готов оперировать своими знаниями органической химии применительно к решению конкретных синтетических задач, а пособие стремится помочь в этом непростом, но весьма увлекательном занятии.
Книга состоит из нескольких глав, содержащих небольшой объём теоретической информации и задачи по планированию синтеза органических соединений с подробным описанием пути их решения. В конце каждой главы 
приведены контрольные вопросы для лучшего усвоения прочитанного материала и задания для самостоятельной работы, схематичные ответы на которые 
даны в конце пособия.
Авторы пособия — молодые преподаватели кафедры органической химии 
Санкт-Петербургского государственного университета, ведущие активную педагогическую и научную работу.

Введение

Органический синтез — это область практической химии, позволяющая химику буквально взять вещество в руки, изменить его своими действиями и создать то новое, что, возможно, ещё не существовало в природе. 
Химик-синтетик по праву может считать себя творцом, однако его успешная 
деятельность зависит не только от экспериментальных навыков, мастерства 
и умения «чувствовать вещество», но и в большой (или бóльшей) степени от 
понимания сути происходящих реакций, способности предсказывать их результат и обоснованно фантазировать в рамках теоретически возможного. 
Построение органической молекулы представляет собой задачу по сборке 
сложного каркаса из простых деталей, где важны как отдельные элементы, так 
и порядок их соединения друг с другом. Продуманный план рационального 
синтеза конкретного органического соединения и можно назвать стратегией 
органического синтеза. Иногда достаточно одного взгляда на молекулу, чтобы 
понять, какую реакцию с какими доступными веществами нужно провести для 
её получения. Но чаще, и особенно по мере усложнения строения соединения, 
выбор не совсем очевиден и требует размышления и сравнения возможных 
вариантов синтеза. Путь «от обратного», последовательная умозрительная 
разборка молекулы на составляющие её части, представляет собой ретросинтетический анализ — основу успешного стратегического планирования. Весь 
синтетический путь разбивается на стадии, каждая из которых создаёт новые 
связи между фрагментами, а иногда — просто подходящие условия для желаемой модификации молекулы. И таким образом можно постепенно дойти до 
простейших исходных соединений. Теоретически ретросинтетический анализ 
можно начать с мысленного разрыва любой связи целевой структуры, однако 
при этом необходимо быть уверенным, что образующиеся «куски» молекулы 
будут действительно взаимодействовать таким образом, как задумано. Также 
стоит оценить общее количество стадий (и не всегда меньше — значит лучше), 
топологию общей схемы (разветвлённая схема может обеспечить меньшую 
цену ошибки на последних стадиях, чем линейная), ожидаемые выходы реакций, возможность образования изомерных соединений, доступность исходных веществ, сложность проведения реакции и выделения продуктов 

Введение

и многое другое. Поэтому, приступая к планированию органического синтеза, 
нужно уметь ориентироваться в свойствах отдельных классов органических 
соединений, их сравнительной реакционной способности, понимать механизмы и закономерности протекания органических реакций, знать основные 
методы органического синтеза. Как и в любой другой области деятельности 
человека, в органической химии стратегия неразрывно связана с тактикой, 
и мастерство, и «дар предвидения» имеют прочный фундамент широких и глубоких познаний.
В данном пособии мы даём краткие сведения о реакциях и свойствах органических соединений, но в большей степени стремимся показать, как использовать знания о механизмах и реакционной способности для решения 
конкретных задач по синтезу органических молекул, как правильно взглянуть 
на структуру и увидеть те её «слабые места», которые помогут выбрать верных 
предшественников и удачную реакцию.
И хотя, по сути, мало что изменилось с 1838 г., когда известный немецкий 
химик Ф. Вёлер написал: «Органическая химия в настоящее время может кого 
угодно свести с ума. Она представляется мне дремучим лесом, полным чудесных вещей, огромной чащей без выхода, без конца, куда не осмеливаешься 
проникнуть» (из письма к Й. Берцелиусу), — мы верим, что, вооружившись 
знаниями, умениями и долей авантюризма, можно смело работать с органической химией и ощутить всю красоту и силу искусства органического синтеза.

Примечание. Для правильного восприятия материала обращаем внимание читателя на разницу в используемых на схемах стрелках: слева приведена ретросинтетическая стрелка, показывающая, что соединение В каким-то образом можно 
сделать из А, справа — обычная стрелка, показывающая определённый способ 
превращения соединения А в В:

B
A
A
B

условия
реакции

Глава 1

Стратегии перехода между 
основными классами 
органических соединений

1.1. Генетическая связь органических соединений

Генетическая связь — это связь между веществами различных классов, 
основанная на их взаимопревращениях. Зная характерные свойства функциональных групп, а также реагенты и условия, необходимые для осуществления 
реакций, можно планировать органический синтез, переходя от простейших 
исходных веществ к более сложным соединениям. Например, в 1972 г. был 
впервые осуществлён синтез витамина B12 (цианокобаламина) из простых 
органических соединений. Схема синтеза, включающего 95 стадий, была разработана и реализована двумя научными группами под руководством Р. Вудворда (Гарвард) и А. Эшенмозера (Швейцарская высшая техническая школа 
Цюриха). 
Генетическую связь между ациклическими углеводородами и их функциональными производными можно представить в виде упрощённой схемы:

CnH2n+2

+ H2

CnH2n

+ H2

CnH2n-2

[H]

CnH2n+1Hal

+ HHal

+ OH–

[H]

[O]

R

O

H

[O]
[H]

R

O

OH

+ H2O

– H2O
R

OH

[H]
[O]

+ H2O

– H2O

+ Hal2

+ HHal

– HHal

R

O

R

R

[O]

[H]

CnH2n+1OH

производные 
карбоновых кислот

1.2. Взаимопревращения ациклических углеводородов…

В данном разделе будут рассмотрены наиболее распространённые способы перехода от одних основных классов органических соединений к другим.

1.2. Взаимопревращения ациклических углеводородов: 
алканов, алкенов, алкинов и их галогенпроизводных

В разделе будут рассмотрены реакции, позволяющие осуществить переход между указанными классами соединений по следующей схеме:

CnH2n+2

+ H2

CnH2n
CnH2n-2

+ H2

[H]

R-Hal

+ Hal2

+ HHal
– HHal

1.2.1. Получение насыщенных углеводородов из ненасыщенных 

Такое превращение возможно осуществить путём реакции гидрирования, 
или гидрогенизации, то есть присоединения молекулы водорода. Реакция идёт 
в присутствии металлических катализаторов (Pd, Pt, Ni). При помощи гидрирования можно получить алканы как из алкенов, так и из алкинов:

H2

Pd

H2

Pd

Неполное гидрирование алкинов до алкенов также возможно, однако 
требует специфических катализаторов. Например, с этой целью часто используется катализатор Линдлара — палладий, нанесённый на карбонат кальция 
и дезактивированный обработкой ацетатом свинца: 

H2, Pd/CaCO3
Pb(OAc)2

N

C2H5OH

Данная реакция стереоселективна, и преимущественно наблюдается образование цис-алкенов:

Глава 1. Стратегии перехода между основными классами органических соединений

10

H2, Pd/CaCO3
Pb(OAc)2

N

C2H5OH

Ещё один катализатор гетерогенного гидрирования — P-2-Ni — коллоидный никель, получаемый в результате восстановления ацетата никеля боргидридом натрия в присутствии этан-1,2-диамина в спирте. Этилендиамин 
препятствует дальнейшему гидрированию алкена до алкана.
транс-Изомеры алкенов могут быть селективно получены при восстановлении алкинов действием натрия или лития в жидком аммиаке при охлаждении:

Na, NH3, –33 °C

1.2.2. Получение ненасыщенных углеводородов из насыщенных

Из алканов можно получить менее насыщенные углеводороды с помощью 
каталитического дегидрирования. Однако следует помнить, что дегидрирование является промышленным методом и применимо лишь для достаточно 
простых углеводородов:

H3C
CH3
H2C
CH2

Ni, 500 °C
+
H2

Термический или каталитический крекинг алканов также позволяет получать алкены, но при этом происходит распад молекулы на две меньшие, одна 
из которых может быть алкином:

700 °C
C10H22
C5H12
+ C5H10

Более общий способ увеличения степени ненасыщенности углеводородов — галогенирование с последующим дегидрогалогенированием. Для правильного планирования синтеза, включающего трансформацию алкан → алкен, 
важно помнить о селективности радикального галогенирования алканов (разд. 
1.2.3.1), а также о селективности дегидрогалогенирования. Эмпирическое правило Зайцева гласит о том, что атом водорода отщепляется преимущественно 
от наименее гидрированного атома углерода и предсказывает образование 
более стабильного алкена с более замещённой двойной связью: 

Br2, hν
Br
KOH, EtOH

– HBr
– KBr, – H2O