Przykladowo, aminy nie mozna otrzymac z alkenu, milcza o tym wszelkie podreczniki (nawet przedwojene). Tymczasem okazuje sie, ze jest metoda (malo rozpowszechniona) dzialania alkenu na NH3 lub RNH2 lub R2NH w obecnosci katalizatorow o UTAJONYM kwasnym charakterze (np. zeolity, rozne tlenki metali typu Cu,Ni,Zn,Al - mam te katalizatory w bazie)
Podobnie, aldehydow nie mozna (jak wynika z podrecznikow...) alkilowac
w pozycje 1 (nie alfa):
RCHO +R'Cl -----/nie zachodzi!/---> RCOR' + HCl
czy tez: RCHO +R'OH -----/nie zachodzi!/---> RCOR' + H2O poniewaz nie mozna oderwac H(+) od aldehydu z pozycji 1 i wygenerowac RCO(-).
Zasady powoduja odrywanie wodoru z pozycji alfa (2) i inne dalsze reakcje(np. kondensacje aldolowe, itp.). Kiedy nie ma w pozycji alfa protonu
oderwanie protonu z pozycji 1 jest mozliwe ale zapoczatkowuje kondensacje
benzoinowa lub reakcje Cannizzaro; powstajacy RCO(-) jest bardzo reaktywny. Mastalerz podaje metode poprzez tioacetal, dzialanie BARDZO silnymi
zasadami typu BuLi i w koncu alkilowanie (np.RBr), ale mimo to wydaje mi sie
ona dosc "nietypowa" (mam ja wszak w bazie), bo w koncu reaguje tioacetal
a nie sam aldehyd. Tak wiec, wynikaloby ze indywiduum RCO(-) (otrzym. z RCHO) NIE ISTNIEJE, a przynajmniej NIE MOZNA GO OTRZYMAC w takiej postaci i stezeniu
aby zmusic do reakcji np. z RCl, w przeciwienstwie np. do latwej generacji
RCO(+) z RCOCl, RCOOCOR, itp. zwiazkow uzywanych do zwyklego acylowania.
Niespodziewanie dowiedzialem sie o genialnej metodzie KARBONYLOWANIA
alkilolitu np. na tetrakarbonylku niklu... Cos w rodzaju RCO(-) powstaje
'in situ' i gladko reaguje z RCl, grupami karbonylowymi, etc.
RLi + CO -> RCO(-)Li(+) -> dalsze reakcje RCO(-) jako nukleofila, np.
przylaczanie do ketonu.
Notabene, mechanizm jak i powstajace kompleksy sa duzo bardziej zlozone, ale
tylko to umozliwia zachodzenie tej reakcji tak, JAKBY bral w niej udzial RCO(-).
Poniewaz wiec NIE MOZNA zalozyc A PRIORI ze dana reakcja NIE ZACHODZI
postanowilem na razie nie budowac tej czesci bazy. Wpisuje wiec tylko reakcje, ktore NA PEWNO
ZACHODZA. Wyjatkowo, aby zasygnalizowac jakies 'niezachodzenie' wpisuje reakcje i opatruje komentarzem 'NIE ZACHODZI' , np. alkeny NIE REAGUJA
w alkalicznym srodowisku z NaOCl, trzeba dodac kwasu.
Z drugiej strony, patrzac na wieloetapowe syntezy np. lekow widac, jak
w danych warunkach zachodzi glownie reakcja z jedna grupa, choc moglaby
z dwoma innymi...Np. pirokatechol reaguje z kwasem chlorooctowym. Niby to reakcja Friedela-Craftsa, ale:
- wystarczy POCl3 zamiast AlCl3
- zachodzi ACYLOWANIE zamiast ALKILOWANIA, pomimo, iz chlor wydaje sie byc
bardziej reaktywny niz grupa -COOH !
Powstaje wiec produkt typu Ph-CO-CH2-Cl a nie Ph-CH2-COOH czy tez dimer Ph-CO-CH2-Ph, nie mowiac o Ph-O-CH2-COOH powstajacym w war. alkalicznych...
NIE ZACHODZENIE jest wiec nagminne, ale nie mozna go zalozyc ani wykluczyc
z cala pewnoscia i to mnie w chemii najbardziej denerwuje.
Program przybral wiec ksztalt obecny i nie sadze, aby udalo mi sie to zmienic.
Dobrze byloby uposazyc program w pewne elementy wspolne 'mechanicystyczne', jak nukleofil, elektrofil, karben, karbokation. Takich wspolnych produktow przejsciowych jest niewiele i znakomicie upraszcza to schematy reakcji, zamiast pisac np. ze z arylami (Fr-Crafts) reaguja alkeny, alkohole, chlorki alkilowe, siarczany alkilowe, chlorki acylowe, tlenek etylenu, bezwodniki i estry wystarczy napisac, ze reaguja elektrofile (najczesciej karbokationy) i karbeny. A generowac je mozna ze wspomnianych substratow, co oczywiscie rowniez wpisalbym tylko 1 raz ! Jest to jednak zbyt ogolne podejscie, bo np. karbokationy maja rozne energie. Te powstajace w r.Kolbego (elektrolitycznie) maja duza, prawie jak te z soli diazoniowych a te z kolei maja wieksza niz generowane dysocjatywnie z halogenopochodnych czy z alkoholi [Timmons]. Dokladne dane tablicowe sa dla mnie niedostepne, co uniemozliwia mi ich kompi- lacje i 'wymyslenie' poprawnej, ogolnej teorii chemii organicznej w roztworach.
Oczywiscie probowalem pisac jeszcze bardziej subtelny program, z karbokatio- nami stabilizowanymi mezomerycznie, ruchomymi jak balon parami elektronowymi, jak poduszka nadetymi szczegolnie w rozpuszczalnikach aprotonowych, rozna ruchliwoscia jonow uwiezionych w klatce rozpuszczalnika. Zbudowalem wiec najpierw SYMULATOR drgan i konformacji czasteczki, oparty na mechanice klasycznej (nie kwantowej!), podpartej za to kilkoma regulami, ktore chemicy znaja, np. ze kat pomiedzy wiazaniami w etylenie jest 120 stopni (sp2) a w alkanach 109 (sp3). Udalo mi sie wiec wygenerowac dokladne polozenia atomow w przestrzeni tylko na podstawie wzoru strukturalnego i MODELU oddzialywan zawartym w programie. To mial byc wstep do prawdziwej chemii organicznej, w ktorej zawada przestrzenna odgrywa znaczna, jesli nie podstawowa role.
Pojawily sie efekty steryczne pierscienia cykloheksanowego nie w postaci jakis tam calek czy wspolczynnikow w nudnych rownaniach tylko falujacego na ekranie pierscienia jak skrzydla motyla, przyjmujacego na przemian, jak na filmie, wszystkie konformacje, od krzeslowej do lodkowej i odwrotnie. Obliczenia, jak przystalo na moje programy, byly wykonywane w czasie RZECZYWISTM...(nie lubie animacji tylko symulacje, nie lubie determinacji tylko wolna wole, nie lubie baz danych tylko improwizacje, tworzenie REAKCJI, CHEMII, RZECZYWISTOSCI w wirtualnym poniekad swiecie... Lubie programy MYSLACE i TWORZACE a nie tylko ODTWARZAJACE.) Pojawily sie, niczym zorza polarna, strugi linii sil pola elektrycznego odksztalcone symetrycznie przez wewnetrzne lub zewnetrzne czynniki, cudownie zdeformowane powierzchnie ekwipotencjalne... Drgajace ladunki generowaly fale elektromagnetyczne czyli wysylaly i absorbo- waly fotony... czestotliwosc drgan zalezalo po prostu od masy atomow i sprezy- stosci wiazania. Zblizenie obcego jonu wywolywalo FANTASTYCZNE efekty... Duzo takich rzeczy WIDZIALEM juz na ekranie swojego monitora wpisujac proste przeciez prawa przyrody, odkryte jeszcze przez Newtona: a=f/m ; a=dv/dt ; v=ds/dt. Odkrylem, ze majac tylko kilkanascie atomow i proste prawa rzadzace ich ruchem nie jestem jednak w stanie przewidziec, jak zakonczy sie ich byt, jaka utworza w koncu strukture, czy rozpadnie sie ona i kazda czesc poszybuje w inny rog ekranu (tj. rzutu na ekran 'mojej' czasoprzestrzeni) czy tez stworzy sie cos trwalego, uporzadkowanego, na wzor krysztalu czy galaktyki spiralnej... Czulem sie jak stworca wlasnego wszechswiata.
A jednak to wszystko zbyt malo... Wszystko okazalo sie byc zbyt zawile, nawet proste reakcje nie sprowadzaja sie do prostych regul...Prostych regul (np. reguly Bredta) po prostu nie ma..., wniosek taki wysnulem poznajac coraz wieksza liczbe (nielicznych) zwiazkow ktore istnieja (JEDNAK) wbrew jej...Efekty solwatacyjne i adsorpcyjne okazaly sie odgrywac nieslychanie duza role. Czesto reguly "intuicyjnie" wyczuwane przez chemikow przy blizszym rozpatrzeniu po prostu NIE ISTNIEJA! Np.: Kwasowosc protonu rosnie w szeregu: C-H < N-H < O-H < Cl-H pomimo, ze ladunek ujemny na atomie polaczonym z wodorem, UTRUDNIAJACY oderwanie protonu rosnie w tym samym szeregu... Trzeba bylo dopiero genialnej intuicji Linusa Paulinga, aby wprowadzajac pojecie elektroujemnosci czyli CHECI atomu do posiadania elektronow (a nie samego posiadania) stan taki wytlumaczyc. Otoz, wiazanie H-Cl jest najbardziej "oslabione", zas H-C najmniej, ale to, niestety, jest znow niezgodne z tablicowymi energiami dysocjacji wiazan w prozni (np. w dobrych tablicach W. Mizerskiego)... co za pech ! PROGRAM DO CHEMII ORGANICZNEJ powinien to wszystko przewidywac i DZIALAC, a nie tylko dotykac problemu, jak Winmopac, ISISdraw i inne... TAKI program kosztuje pewnie MILIONY ale moze robi to o czym marze: przeprowadza RZECZYWISTA reakcje w WIRTUALNYM swiecie...przewiduje produkty... (TRAFNIE! Bo trafny jest MODEL, droga i jednoczesnie zrodlo sukcesu) oraz nie jest on zadna baza danych (ktorych to ze wzgledu na sztywnosc tak naprawde nie lubie, ale co zrobic, takie zycie...).Poniewaz stwierdzilem, ze TAMTEGO programu moge nigdy nie skonczyc, a czas i wiedza nieuchronnie przemijaja, napisalem programik 'REAKCJE'. Mawiaja, ze 'lepszy wrobel w garsci niz golab na dachu'. W ten sposb postapilem i ja. Jest on jak sciaga wsrod ksiazek, w ktorych autorzy wzajemnie siebie cytuja nie wnoszac nic nowego, wsrod rozdmuchanych rzeczami niepotrzebnymi (np. orbitalami !!!) a jakze ubogich w swej istocie wiekszosci programow. Chcialem pokazac, jak niewielki okruch wiedzy czlowiek nabywa i posiada, chlubiac sie czesto nadmiernie. Chcialem takze pokazac, ze sa czesto zapomniane reakcje, surowce, katalizatory, ktorych poznanie i wykorzystanie moze przyniesc wymierna korzysc, zamiast filozofowanie i strata czasu na nauke o orbitalach, hybrydyzacjach itp. bzdurach. Nie twierdze, ze to jest zupelnie niepotrzebne, ale to staje sie PRZYDATNE dopiero wtedy, gdy umiemy poprzec dany wywod odpowiednim przykladem, gdy umiemy go zastosowac w praktyce. Np.: anilina nitruje sie w pozycje orto i para bo pary elektronowe azotu 'wciskaja sie' w tych miejscach do pierscienia (notabene, prosta i intuicyjna mezomeria okazala sie BARZDZO trudna do zasymulowania !). Silne zakwaszenie i utworzenie jonu amoniowego zmienia to radykalnie, podsta- wienie zachodzi w pozycje meta. Mowienie o orbitalach i elektronach BEZ przykladow (np. na poziomie podstawowego kursu chemii organicznej na studiach) jest jak mowienie glodnemu o jedzeniu. Drazni go tylko. Inny przyklad: w 1816 roku Aleksander Chodkiewicz uzyskiwal w Polsce cale kilogramy potasu metalicznego w reakcji opilek zelaznych z K2CO3 w temperaturze bialego zaru. Prawdopodobnie zachodzila redukcja CO2 do wegla, bo potas reaguje zarowno z CO2 jak i z CO (do aromatycznego, cyklicznego (COK)6). Dzis wiekszosc uczonych uznalaby te droge za 'niemozliwa', gdyz jest ona NIEZGODNA Z SZEREGIEM NAPIECIOWYM METALI, NIEZGODNA Z TEORIA, 'BURZY PORZADEK'. I final... Jesli komus moj BRYK sie przyda, np. podczas zdawania egzaminu z chemii lub w przewidywaniu np. ubocznych procesow w procesach technologicznych, to cel moj bedzie przynajmniej czesciowo spelniony. Ponizej przedstawiam wstep /a moze zakonczenie/ TAMTEGO programu, z ktorym zabawe zakonczylem okolo 1996 roku.
Zamierzeniem programu CHEMLINE bylo (i jest) przewidywanie reakcji chemicznych zachodzacych w kolbie czy reaktorze, najczesciej w fazie cieklej.
Generowanie mozliwych reakcji powinno stac na poziomie wysokiej klasy specjalisty-chemika organika.Program ten - w odroznieniu od wielu podobnych juz napisanych - mial byc SYMULACJA DYNAMICZNA nie potrzebujaca olbrzymiej chemicznej bazy danych. Poniewaz okazuje sie, ze na obecnym etapie wiedzy trudno jest w chemii okreslic precyzyjne, ilosciowe zaleznosci tempo pisania programu zmalalo. Gdzie tkwia glowne roznice pomiedzy sposobem generowania reakcji przez klasy- czne programy a CHEMLINE ?
Uzytkownik wprowadza tylko liste atomow wchodzacych w sklad czasteczki { np.akroleina CH2=CH-CH=O ma 1c.2c.3c.4o czyli w skrocie 3c.4o } oraz sposob ich powiazania [ akroleina: 1u2.2s3.3u4 co oznacza ze : atom 1 jest polaczony wiazaniem typu doUble z at2. At2 jest polaczony wiazaniem Single z at3. At3 zas jest polaczony doUble z at4. } Jest to bardzo niewiele jak na chemie ( w przyszlosci nawet i to zrobi niezbyt duza baza danych ,poza tym potrzebna jest jeszcze informacja o konformacji czy izomerii optycznej, sam sposob polaczenia nie wystarczy do jednoznacznego okreslenia tych cech). Reszte ma zrobic PROGRAM...1) Generacja polozen atomow w czasteczce. To zadanie,proste dla czlowieka a banalne, gdy ma sie pod reka kartke i olowek lub modele precikowe sprawia komputerowi nie lada klopoty.
CHEMLINE: Komputer - na podstawie znajomosci tylko sposobu powiazania atomow generuje najpierw uproszczone wspolrzedne.Nastepnie /w przypadku wykrycia niescislosci/ przechodzi automatycznie do procedury Naprezenia, gdzie z duza dokladnoscia symulowane sa drgania i sily dzialajace pomiedzy atomami,naprezenia wynikle z odstepstw od standardowych katow {np.dla hybrydyzacji sp3 109.5 stopnia czyli arc cos (-1/3)}.Jest to metoda posrednia pomiedzy rozwiazywaniem rownania Schrodingera (to nie na takiej maszynie) a rysowaniem bezposrednim z wykorzystaniem zapamietanych "wzorcow" czy fragmentow typu naftalen czy chroman. Jest to wlasciwie iteracyjne rozwiazywanie rownan rozniczkowych na naprezenia modelu czasteczki na podstawie zasad mechaniki klasycznej.Ten sposob przynosi dosc szybkie i TRAFNE (!) rezultaty nawet w przypadku adamantanu, KUBANU, terpenow czy styrychniny (!). Zarowno w czasie, jak i po "uspokojeniu" drgan czasteczki trojwymiarowy efekt obliczen rzutowany jest na dwuwymiarowy ekran. Kierunek patrzenia "wspolrzldne oka" mozna zmieniac i w ten sposob "obracac" czasteczke.
INNE: Stosuja rozmaite procedury rysowania bezposredniego (bez symulacji drgan i naprezen). Jest to niewatpliwie metoda szybsza, ale zawodzi w przypadku obecnosci wiekszej liczby skondensowanych pierscieni. (Np.program shareware CHEMICAL-CHEMVIEW "wylozyl sie" na strukturze tricyklo [1,1,1] pentanu,czyli mowiac obrazowo cyklobutanu do ktorego przeciwleglych atomow doczepiono jeszcze mostek metylenowy) Dopracowanie polega na wprowadzeniu do pamieci jak najwiekszej liczby ukladow pierscieni skondensowanych (typu indol,chinolina etc.) ktore komputer ma wy- najdywac w czasteczkach wprowadzanych przez uzytkownika. Zawsze jednak istnieje niebezpieczenstwo "nieznalezienia" struktury. Np.KUBAN ("szescian") ma 6 czteroczlonowych pierscieni.Nawet gdyby komputer znalazl w pamieci podobny uklad,to jeszcze za malo.Te pierscienie tworza bowiem same jak gdyby "pierscien",czyli zamknieta powierzchnie (tym razem w trzecim wymiarze - czyli BRYLE). Reczne wpisywanie czy "poprawianie" polozen atomow { CHEMICAL } nalezy uznac co najmniej za nieporozumienie. 2) Okreslenie miejsc reaktywnych w reagujacych czasteczkach.
To trudne zadanie, nawet dla niezlego chemika.Nalezy uwzglednic wplyw: -efektow przesuniec elektronowych w rodzaju indukcyjnego i mezomerycznego {np.anilina nitrowana daje o- i p-pochodna, a kation aniliny - meta} -srodowiska (jony wodorowe i/lub inne,solwatacja, solwoliza, adsorpcja) {np.aceton chlorowany na kwasno daje chloroaceton a na zasadowo - chloroform} -temperatury (statystyka,kinetyka,termodynamika) i efekty energetyczne {np.toluen sulfonowany w temp.80 C daje p-pochodna, a w 160 - meta} -wplyw zawady przestrzennej (takze czynniki steryczne i konformacyjne). {np.nitrowanie m-ksylenu nie daje 1,2,3-pochodnej} {przylaczanie HCl do wiazania podwojnego daje wiecej produktu trans niz cis} {dezaktywacja pierscienia N,N-dimetylo-2,6-ksylidyny na skutek zahamowania swobodnej rotacji wokol wiazania N-Cpierscien i takie ustawienie grup,ze niemozliwe jest sprzegniecie elektronow pi azotu z elektronami pi pierscienia aromatycznego.}obecnosc wolnych rodnikow, sladow wody i podobnych substancji. {np.efekt nadtlenkowy Karasha,polimeryzacja styrenu i in.} {woda lub/i alkohol katalizuje np.kondensacjl Claisena octanu etylu za pomoca sodu metalicznego,dlaczego-zobacz mechanizm}wiele,wiele innych Z tych danych -jesli sa kompletne, a tak nigdy nie jest- mozna przewidywac wplyw katalizy czy autokatalizy. {mala ilosc AlCl3 w reakcji Fridela-Craftsa katalizuje tworzenie sie o- i p- pochodnych , duza zas - meta} Poniewaz jest to splot wielkiej liczby czynnikow duza role odgrywa doswiadcze- nie samego chemika, jego intuicja, znajomosc duzej liczby faktow z dziedziny chemii,umiejetnosc kojarzenia,wyobraznia,projektowanie doswiadczen pozwalajacych potwierdzic hipotezy,znajomosc literatury itd....oraz przypadek.Poza tym samo pojecie "miejsce reaktywne" nie ma sensu fizycznego,bo badac je mozemy dopiero w okreslonych reakcjach i na podstawie wspolnych czesci ich mechanizmow tworzyc pewne uogolnienia,jak w rodzaju: "tam jest kwasny wodor". Przypomina to termin "pologniwo" ktory jest pojeciem - i niczym wiecej. Uszeregowanie nukleofili w szereg o wzrastajacej aktywnosci takze nie dalo jednoznacznych rezultatow.Podobnie uszeregowanie grup latwo i trudno odchodzacych. Za to niektore reakcje,ktore dawniej wydawaly sie nie do przeprowadzenia staja sil latwe po odkryciu nowych drog badz katalizatorow (reakcja Krausa otrzymy- wania chinonow badz zastosowanie katalizy miedzyfazowej ukladu woda-CH2Cl2-TEBA-CH3J-NaOH do metylowania ketonow w bardzo lagodnych warunkach a nie - jak dawniej - z uzyciem trifenylopotasu i CH3J - Mastalerz, Makosza).Zatem: NIE MA REGUL. Co wiecej, niektore nasze wyobrazenia o wplywie podstawnikow na reaktywnosc czy kwasowosc sa po prostu BLEDNE. Wystarczy przypomniec kwasowosc wody i alkoholi ,odpowiednio I,II i III rzedowych. Kwasowosc ta maleje w przedstawionym przeze mnie szeregu o czym moze swiadczyc np.szybkosc reakcji z sodem (najszybsza w przypadku wody - poza tym w kazdym podreczniku mozna znalezc pK roznych alkoholi).Tlumaczylo sie to wszystko wlasciwosciami grup alkilowych, ktore jakoby mialy wplyw elektronodonorowy "pchajacy elektrony" i w ten sposob zwiekszajacy ujemny ladunek na tlenie.Ten ladunek trzymal proton najmocniej w przypadku alkoholu III-rzedowego.Poniewaz kwasowosc ma byc zdolnoscia do odszczepiania protonu /przez co i w jakich warunkach?!/ alkohol III-rzedowy okazywal sie,w zgodzie z tym prostym doswiadczeniem najslabszym kwasem. Podobnie rzecz miala sie z roznorzedowymi aminami. Najnowsze badania pokazaly cos calkiem przeciwnego. W fazie gazowej,gdzie efekty solwatacyjne znikaja, alkohol III-rzedowy okazal sie byc najmocniejszym kwasem a woda - najslabszym (Mastalerz). Mozna wiec jedynie powiedziec tak: -w przewazajacej liczbie reakcji zachodzacej w fazie cieklej grupy alkilowe zachowuja sie tak jakby byly elektrodonorowe... Nie dotyczy to widm w NMR, gdzie efekt ten jest odwrotny... P.S. Program CHEMLIN 3.4. nie generuje jeszcze reakcji.
Okazalo sie to bardzo trudnym zadaniem...
Tyle o historii pisania tego typu programow.
Moze jednak znalazlby sie ktos, kto zapalilby mnie na nowo do rozwiazania tego problemu ? Albo tez moze istnieje juz gdzies taki program, niedrogi a dobry, podobny do szachowego FRITZ'a ?
Paweł Hoszowski
Praca wpłynęła do Chemfana: 2000-07-02
