Термодинамическая допустимость реакции

Ископаемое сырье, служащее в конечном счете основным исходным матери­алом для органического синтеза, образовалось в результате чрезвычайно длительных биогеохимических процессов. За это время оно успело достиг­нуть состояния равновесия или, по крайней мере, к нему приблизиться. Это означает, что соединения, выделяемые из природных источников, прибли­жены к состоянию с минимумом свободной энергии, по крайней мере, в ана­эробных условиях. Органический синтез, как правило, имеет целью получение соединений с более высоким содержанием свободной энергии — свобод­ной энергии, запасенной в виде образовавшихся связей и в большей упорядоченности системы, чем исходные вещества*.

Для того чтобы создать такие неравновесные системы, необходимо про­извести некоторую работу, энергия для которой должна быть привнесена из­вне. Это может быть тепловая, электрическая или световая энергия, но чаще всего в органическом синтезе используется химическая энергия.

Источником химической энергии служат химические реагенты, энергия которых была запасена на стадии их приготовления за счет других источни­ков (в конечном счете, как правило, за счет электрической энергии). В при­мере, рассмотренном выше, такими реагентами являлись магний и бром, по­лученные в свою очередь электролизом соответствующих солей. Отсюда ста­новится понятным, почему столь большую, подчас ключевую роль в органи­ческом синтезе играют такие высокоактивные реагенты, как свободные га­логены (F₂, Сl₂, Вr₂), металлы (например, Li, Na, К, Mg, Zn), простые и ком­плексные гидриды (например, LiH, NaH, KH, NaBH₄, LiAlH₄, Bu₃SnH, В₂Н₆) и т. д.

С термодинамической точки зрения органический синтез может быть уподоблен сложному и опасному путешествию в горах со многими подъемами, спусками и обходами препятствий, имеющему своей конечной Целью достижение некоторой точки, расположенной на более высоком уровне, чем исходная. Схематический профиль пути, ведущего от стартово­го вещества А к конечному продукту Р, представлен на рис. 2.1.

Рис.2.1. Энергетический профиль многостадийного синтеза продукта Р из исходного вещества А (В, С и г.д. — промежуточные продукты, Rgt 1—Rgt 4 — реагенты).

Этот рисунок иллюстрирует три важных общих положения, характерных для типичной синтетической последовательности. Во-первых, как видно из схемы, для успешного продвижения по показанному маршруту необходима пе­риодическая «подкачка» свободной энергии, что достигается введением в сис­тему дополнительных регентов Rgt I—Rgt 4. Во-вторых, энергия, запасаемая при этом, может далее расходоваться постепенно, для обеспечения прохожде­ния промежуточных точек (например, С -> D -»Е), что позволяет контролиро­вать ход превращения. Так, в разобранном синтезе уксусной кислоты свобод­ная энергия, внесенная в систему в виде MeMgBr, была далее использована в реакциях с диоксидом углерода, а затем с бромоводородом. В-третьих, очевид­но, что промежуточные продукты в данной последовательности обладают не­которым избыточным запасом свободной энергии и, следовательно, они потенциально способны «свалиться в яму», т.е. превратиться в тупиковые, с точки зрения поставленной цели, соединения. Поэтому очень важно иметь воз­можность направить по нужному руслу энергию, запасаемую на стадиях проме­жуточных продуктов. Вопрос о факторам, определяющих относительную до­ступность альтернативных каналов реакции рассмотрен в следующем разделе.