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 анали-
за и рассматривает его применение на примерах — задачах по планированию синтеза 
органических соединений заданного строения. В каждом разделе даются краткие сведе-
ния 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 по-
собия является не описание свойств и способов получения определённых классов орга-
нических 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, интересую-
щимся 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 позна-
комить 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 классиче-
ских 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 органиче-
ской химии применительно к решению конкретных синтетических задач, а по-
собие стремится помочь в этом непростом, но весьма увлекательном занятии.
Книга состоит из нескольких глав, содержащих небольшой объём теоре-
тической информации и задачи по планированию синтеза органических со-
единений с подробным описанием пути их решения. В конце каждой главы 
приведены контрольные вопросы для лучшего усвоения прочитанного мате-
риала 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 пе-
дагогическую 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 ретросин-
тетический 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 жела-
емой 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 ре-
акций, возможность образования изомерных соединений, доступность ис-
ходных 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 меха-
низмы 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 глу-
боких познаний.
В данном пособии мы даём краткие сведения о реакциях и свойствах ор-
ганических соединений, но в большей степени стремимся показать, как ис-
пользовать 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 чу-
десных 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 органиче-
ской химией и ощутить всю красоту и силу искусства органического синтеза.

Примечание. Для правильного восприятия материала обращаем внимание чита-
теля на разницу в используемых на схемах стрелках: слева приведена ретросин-
тетическая 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 функцио-
нальных 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 раз-
работана и реализована двумя научными группами под руководством Р. Вуд-
ворда (Гарвард) и А. Эшенмозера (Швейцарская высшая техническая школа 
Цюриха). 
Генетическую связь между ациклическими углеводородами и их функцио-
нальными 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 спо-
собы 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 пе-
реход 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 бор-
гидридом натрия в присутствии этан-1,2-диамина в спирте. Этилендиамин 
препятствует дальнейшему гидрированию алкена до алкана.
транс-Изомеры алкенов могут быть селективно получены при восста-
новлении алкинов действием натрия или лития в жидком аммиаке при охлаж-
дении:

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 дегидриро-
вание 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 по-
лучать 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 углеводо-
родов — галогенирование с последующим дегидрогалогенированием. Для пра-
вильного планирования синтеза, включающего трансформацию алкан → алкен, 
важно помнить о селективности радикального галогенирования алканов (разд. 
1.2.3.1), а также о селективности дегидрогалогенирования. Эмпирическое пра-
вило 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

1.2. Взаимопревращения ациклических углеводородов…

Данный подход применим и для получения алкинов из алкенов, при этом 
на первой стадии будет происходить электрофильное присоединение галогена 
к двойной связи, а на второй — двукратное дегидрогалогенирование: 

Br2

Br

Br

KOH, EtOH

– KBr, – H2O

1.2.3. Получение моногалогеналканов из углеводородов

Галогеналканы представляют собой простейший класс функциональных 
производных углеводородов, при этом их значение в органическом синтезе 
очень велико. С одной стороны, благодаря их способности вступать в реакции 
нуклеофильного замещения галогена, данные соединения могут быть исполь-
зованы для получения широкого ряда других функциональных производных, 
среди которых спирты, простые и сложные эфиры и т. д. С другой — галоген-
алканы могут участвовать в реакциях построения связи С–С, например алки-
лирования ароматических соединений, енолятов и терминальных ацетиленов. 
Кроме того, представителями галогеналканов являются растворители, широко 
применяемые в органическом синтезе: хлористый метилен, хлороформ, че-
тырёххлористый углерод, 1,2-дихлорэтан. Простейшими исходными соеди-
нениями для получения галогеналканов являются углеводороды. Далее будут 
рассмотрены способы получения моногалогенпроизводных из углеводородов 
различных классов, а также обратные превращения.

1.2.3.1. Получение галогеналканов из алканов

CnH2n+2

[H]

R-Hal

+ Hal2

Галогенирование алканов при облучении относится к реакциям ради-
кального замещения SR. Практическое применение имеют только реакции хло-
рирования и бромирования: 

CH4
+
Cl2

hν
+
CH3Cl
HCl

Прямое фторирование алканов даже при низких температурах проис-
ходит с выделением большого количества тепла и разрушением углеродной 
цепи, поэтому фторалканы получают другими способами. Иодирование, нао-
борот, является сильноэндотермическим процессом и потому невозможным.

Глава 1. Стратегии перехода между основными классами органических соединений

12

Реакция бромирования более медленная и селективная, чем хлориро-
вания, а учитывая различную активность связей С–Н субстрата (возрастает 
в ряду RH2C–H, R2HC–H, R3C–H), наибольшая региоселективность наблюда-
ется при бромировании алканов, содержащих третичный атом углерода (регио-
селективность — предпочтительное образование новой связи и разрыв старой 
связи по одному направлению из нескольких возможных). Например, при 
бромировании 2-метилпропана основным продуктом является 2-бром-2-ме-
тилпропан. Изомерный продукт бромирования — 1-бром-2-метилпропан — 
образуется лишь в следовых количествах. При хлорировании того же самого 
углеводорода уже при комнатной температуре образуется смесь двух про-
дуктов, причем преобладать будет 1-хлорпроизводное:

Br2, CCl4, hν

– HBr
Br

Cl2, CCl4, hν

– HCl
Cl

+
Cl

64%
36%

99%

Алканы, в свою очередь, могут быть получены из галогеналканов под дей-
ствием различных восстановителей: комплексных гидридов, например алюмо-
гидрида лития (LiAlH4, для которого обычно используется обозначение LAH), 
или водорода с применением катализаторов гидрирования:

Cl
LiAlH4

Br
H2, Ni

1.2.3.2. Получение галогеналканов из алкенов

CnH2n

– HHal
R-Hal

+ HHal

Получить галогеналканы из алкенов можно при помощи реакции гидро-
галогенирования, которая протекает по механизму электрофильного присое-
динения AdE . Присоединение галогеноводородов к несимметричным алкенам 
подчиняется правилу Марковникова: атом водорода присоединяется к наи-
более гидрогенизированному атому углерода, а галоген — к наименее. Хотя 
точнее будет сказать, что реакция проходит через образование наиболее ста-
бильного катионного интермедиата (сравните устойчивость первичного и вто-
ричного катионов):