Syntezy, mapy reakcji, spektroskopia – jak się uczyć chemii organicznej?

Mam dla Was dobrą i złą wiadomość. Zgodnie z regułą przekory, zaczniemy na przekór od tej dobrej.

Chemia organiczna jest przepiękną, cudownie logiczną gałęzią chemii, będąc jednocześnie w przytłaczającej większości Waszą ulubioną działką, z której jesteście najlepsi.

Zła wiadomość? Tak jak wspomniałem, zdecydowana większość uwielbia chemię organiczną. Docenia to, jak logiczne potrafią być reakcje, jeśli tylko zaczniemy zagłębiać się w zagadnienia, które leżą u jej podstaw – elektrofile, nukleofile, kwasy i zasady, rezonans, mechanizmy reakcji. Uczycie się często mocnych, zaawansowanych rzecz, nierzadko sięgając po Claydena. I tutaj właśnie jest ta ,,zła” wiadomość – bardzo ciężko jest zyskać przewagę będąc nawet bardzo dobrym z chemii organicznej.

Obecnie zadania czwarte oraz piąte na Olimpiadzie Chemicznej pełnią kluczową rolę. Są to (całe szczęście) zadania, które nie pokrywają się z Folderem Wstępnym, a zatem trzeba być z tego działu chemii ogólnie przygotowanym. Są to dwa zadania, które w ogromnej mierze decydują o przejściu do finału! 

Dlaczego tak jest? Wynika to z ogólnorosnącej świadomości na temat roli Folderu Wstępnego w zakresie chemii analitycznej i fizycznej. Mówiąc wprost – to co tam będzie, pojawi się także na zawodach. Wiąże się to z tym, że te dwa zadania nie grają żadnej roli. Zadanie drugie (z chemii nieorganicznej) jest jedynym zadaniem różnicującym, które zwykle jest najtrudniejsze (a zatem większość osób ma z niego słabe wyniki), natomiast o finale decyduje wtedy chemia organiczna.

Receptą na sukces było właśnie zrobienie planu minimum : zadania pierwszego oraz trzeciego i bardzo dobre rozwiązanie części organicznej (zadania czwarte oraz piąte), optymalnie na około 34/40. Reszta już jest formalnością, wystarczy załapać po parę punktów z nieorganicznej oraz części laboratoryjnej.

Popatrzmy na wyniki z poprzednich lat.

Zaczniemy od chemii nieorganicznej – wśród osób z top 22 , osiem (36%) ma słabe/przeciętne wyniki z tego zadania (oczywiście obiektywnie to są fajne wyniki). Spoglądając na dolną część tabeli finalistów sytuacja staje się jeszcze bardziej dramatyczna. Na dwadzieścia cztery osoby tylko 5 ma dobry wynik. 80% osób zrobiło zadanie drugie bardzo słabo, mimo to dostali się do finału. Co jest wspólnym mianownikiem tego sukcesu? Dobrze zrobiona chemia organiczna.

Przeanalizuj to sam :  66 edycja, lista finalistów  ,  65 edycja, lista finalistów

Ja osobiście gorąco kibicuję sytuacji, w której Folder Wstępny będzie pełnił inną funkcję i zadania z chemii analitycznej przestaną być sztucznymi wypełniaczami i nabijaczami punktów.

Póki co, chemia organiczna to dział, z którego po prostu trzeba być świetnie przygotowanym. 

Co można zrobić, aby się optymalnie przygotować do II etapu Olimpiady Chemicznej?

1. Dobrze przerobiona teoria z podręczników (wraz z przerobieniem zadań).
2. Dokładne rozwiązanie wszystkich zadań z poprzednich lat (tak, od 45. edycji zaczynając) : mowa tutaj o zadaniach z Folderu Wstępnego części B, II oraz III etapów.
3. Testowanie się – od czasu do czasu rozwiąż zadanie z poprzedniej edycji na czas, w warunkach symulujących zawody.
4. Mapy Reakcji – to świetna metoda uporządkowania wiedzy z książek (Murry, Boyd, Clayden, inne). Znajomość reakcji to jedynie podstawa, niczym podstawowe umiejętności matematyczne potrzebne do liczenia zadań. Pamiętaj, że najważniejsze jest to, aby daną reakcję rozumieć, a nie tylko znać na pamięć. Mapy reakcji służą jako zebranie tego wszystkiego w jedno miejsce, a po drugie zwalnia Cię ze stresującego obowiązku zamartwiania się, które reakcje są ważne.
5. Syntezy organiczne – nie ma lepszej metody przygotowań niż robienie zadań olimpijskich. Jest ich jednak ograniczona ilość, dlatego każdy taki dodatkowy trening jest na wagę złota.

To wszystko można przećwiczyć nabywając zestaw 80 zalaminowanych map reakcji wraz z książką ćwiczenia z chemii organicznej. Oto wycinki map oraz książki : 

Mapy reakcji : 

Syntezy organiczne

Synteza 34 – oseltamiwir

Poniżej przedstawiono syntezę prekursora karboksylanu oseltamiwiru, który jest wybiórczym inhibitorem neuraminidaz wirusa grypy, których aktywność warunkuje uwolnienie świeżo wytworzonych cząstek wirusa z komórki i dalsze ich rozprzestrzenianie w organizmie. In vivo lek ten hamuje replikację i patogenność wirusa grypy A i B, u ludzi skraca czas występowania objawów grypy. Warto szczepić się na grypę!

Wskazówki do syntezy : 

• w przejście B ➝ C  użyty jest znany już Tobie z Syntezy 32 reagent, tylko wtedy był zapisany skrótem, a teraz została przedstawiona cała jego struktura. Przejście to jest tak zwaną reakcją jodolaktamizacji. 
• związki E oraz F różnią się masą molową o około 79 g/mol. Związek F jest związek ????,γ-nienasyconym. 
• atom bromu w związkach F oraz H znajduje się przy tym samym atomie węgla. W związku F jest on trans w stosunku do pozostałych podstawników, a w związku H konfiguracja tego stereogenicznego atomu węgla jest przeciwna. 
• konfiguracja centrum stereogenicznego związku G to S. 
• pierwszy etap przejście G ➝ H  polega na wytworzeniu kationu bromoniowego. 
• oseltamiwir ulegałby reakcji addycji sprzężonej. W tej syntezie został otrzymany w postaci soli.

1. podaj wzory związków A – J oraz wzór oseltamiwiru. 
2. przypisz konfigurację do centrów stereogenicznych w cząsteczce oseltamiwiru. 
3. podaj główny produkt reakcji, który powstałby gdyby zamiast butadienu użyć izoprenu w pierwszym etapie syntezy. 

---

Uzupełniony schemat syntezy znajduje się poniżej :

Konfiguracja centrów stereogenicznych w cząsteczce oseltamiwiru :

Reakcja Dielsa-Aldera jest regioselektywna. Użycie niesymetrycznie podstawionych substratów, czyli izoprenu, prowadzi do preferencyjnego tworzenia się produktu (pochodnej cykloheksanu) z podstawnikami w położeniach 1,4. 

---

Związki z grupą karbonylową (C=O)

• ogólnie, grupa karbonylowa (C=O) to bez dwóch zdań najczęściej pojawiająca się grupa do identyfikacji z widma IR na Olimpiadzie Chemicznej. Związki zawierające taką grupę karbonylową (chlorki kwasowe, bezwodniki kwasowe, estry, kwasy karboksylowe, aldehydy, ketony oraz amidy) znajdziemy po intensywnym sygnale w zakresie 1650 – 1800 cm^ー1 . Co ciekawe, wartość liczby falowej pokrywa się z reaktywnością tych związków i tak : chlorki kwasowe będą się ukazywały raczej przy wartościach > 1800 cm^ー1 , natomiast amidy jako najmniej reaktywne w granicach 1650 cm^ー1. Pamiętajmy, że każde wiązanie traktujemy osobno i np. kwasy karboksylowe będą pokazywały pik zarówno od grupy karbonylowej (C=O) jak i od hydroksylowej (ーOH). Poniżej przedstawiono widmo IR dla ketonu (pierwsze) oraz estru (drugie). 

Zadanie 5 – związek X o wzorze sumarycznym  \(C_{3}H_{7}NO \)   ma następujące widmo \(^{1}H \ NMR \)  : 

• ????1 = 2,9 ppm (s) , ????2 = 3 ppm (s) , ????3 = 8 ppm (s). 
• Co ciekawe, gdy związek ten poddamy ogrzewaniu, to widmo \(^{1}H \ NMR \)  wykazuje jedynie dwa sygnały ????4 = 2,95 ppm (s) , ????3 = 8 ppm (s). 

Wytłumacz zmianę w widmie jaka zachodzi podczas ogrzewania oraz zidentyfikuj związek X.

Odpowiedź 5 : Związkiem X jest N,N-dimetyloformamid. Amidy ze względu na formę rezonansową pokazaną poniżej mają wiązanie C-N o częściowym charakterze wiązania podwójnego, przez co dwie grupy metylowe są nierównocenne (charakterystyczna jest niewielka różnica przesunięć, tutaj Δ???? = 0,1 ppm). W warunkach zwiększonej temperatury bariera rotacji zostaje przełamana i obie grupy metylowe stają się równocenne, dając wypadkową wartość przesunięcia chemicznego :  (2,9 + 3) /2 = 2,95 ppm.

Zadanie dedukcyjne 4
Poniżej mamy jeden z etapów syntezy longifolenu. Pierwszy etap polega na selektywnym tosylowaniu w obecności pirydyny (py). Nie zawierający siarki związek Y reaguje pozytywnie w próbie z 2,4-dinitrofenylohydrazyną,a negatywnie w próbie Tollensa i nie ma w jego strukturze dwóch takich samych pierścieni. Reakcja związku Y z mocną, niezatłoczoną sterycznie zasadą z następczym dodaniem CH3Br dałoby teoretycznie mieszaninę dwóch produktów, ale jeden z nich by przeważał. 

Odpowiedź :  Pierwsza reakcja to selektywne tosylowanie, ponieważ mamy drugorzędowy oraz trzeciorzędowy alkohol, zatem reaguje ten bardziej dostępny sterycznie. O związku Y wiadomo, że nie zawiera atomu siarki, zatem cała grupa tosylowa (zgodnie zresztą z jej przeznaczeniem w 99% przypadków) musiała odejść jako bardzo dobra grupa odchodząca. Druga grupa -OH musiała przejść w keton, o czym informuje nas dodatnia próba z 2,4-DNPH oraz ujemna próba Tollensa. Zasadowe warunki w jakich prowadzimy drugą reakcję sugeruje, że acetal pozostanie nienaruszony. Związek Y nie ma dwóch takich samych pierścieni, zatem musimy mieć kombinację 5, 6, 7 – członowych pierścieni, jako że inna kombinacja byłaby związana z tworzeniem mniej trwałych pierścieni (potwierdza to też fakt, że acetal pozostał nienaruszony). Połączenie tych informacji wskazuje na przegrupowanie pinakolinowe (mamy tutaj ,,ukryty” 1,2-diol) przy czym dobrze odchodząca grupa tosylowa załatwia nam problem selektywności, który pojawia się przy asymetrycznych diolach. Potwierdzeniem struktury związku Y jest fakt, że reakcja ????-substytucji (z użyciem mocnej, niezatłoczonej zasady) da preferencyjnie trwalszy, bardziej podstawiony jon enolanowy w miejscu gdzie jest już grupa metylowa.