ПОМОГИТЕ ФИЛОСОФУ НАУКИ! КАК "ЧИТАТЬ" СТРУКТУРНЫЕ ФОРМУЛЫ?

[Venevtsev]

Уважаемые химики-органики! Я философ науки, занимаюсь исследованием теории химического строения. Возник очень интересный вопрос: как мыслят ученые в рамках данной теории? Положим, мы имеем структурную формулу какого-то сложного органического соединения, которое нами пока не изучено, а, возможно, даже и не получено. Тем, не менее, мы можем с некоторой точностью спрогнозировать его химическое свойства, анализируя структурную формулу. Как осуществляется такой анализ?

Пока, опираясь на собственный весьма небогатый химический опыт, я сформулировал такую предварительную гипотезу. Мы мысленно выделяем в молекуле реакционные центры (функциональные группы?) Для каждого из таких центров известны типичные реакции, например, электрофильное присоединение по двойной углерод-углеродной связи. Далее мы предполагаем, что и наше вещество будет реагировать сходным образом... Однако тут возникают определенные сложности. Во многих случаях реакционная способность соединения зависит не только от наличия тех или иных функциональных групп, но и от их взаимного расположения. Например, сопряженные диены присоединяют электрофильные реагенты иначе, нежели алкены. Как тут быть?

Я был бы очень признателен, если б вы поделились собственным опытом "чтения" структурных формул.

[Cherep]

Ну так и есть

Только такая задача практически врятли должна возникнуть.

Например, при планировании синтеза нужно исключать наличие двух одинаковых по реакционной способности групп. Типа как алкен и диен. Другое дело, что можно подобрать такой электрофил с которым разница в скоростях реакций может быть заметной.

Так что дело не только в рассматривании структурной формулы, но и в рассматривании известных реакций и всяких там сопоставлениях фактов.

[chemist]

занимаюсь исследованием теории химического строения.
...
опираясь на собственный весьма небогатый химический опыт

В этом-то проблема и странность Вашего выбора . Прикладной философией (осмыслением, обобщением и т.д.) в какой-либо области должны заниматься специалисты, отошедшие от дела (по возрасту, по болезни и пр.), а не дилетанты, зачем-то от балды пришедшие в него . Гораздо эффективне получится философствовать у Вас в том деле, на которое Вы учились и в котором "съели собаку"
Химики-практики мнгновенно "вычисляют" свойства молекул по структурным формулам на интуитивном уровне, поэтому их расспрашивать также бесполезно, как задавать вопрос сороконожке о том как она помнит какой ногой когда идти; рассказать, конечно, можно, но это так в лом!

[Cherep]

Ах да.
Синтез и следовательно свойства функциональных групп, входящих в структуру, удалось какбы формализовать так, что научили это делать ЭВМ.
Пионером в этом деле был E. J. Corey

[Venevtsev]

Ну так и есть

Только такая задача практически врятли должна возникнуть.

Например, при планировании синтеза нужно исключать наличие двух одинаковых по реакционной способности групп. Типа как алкен и диен. Другое дело, что можно подобрать такой электрофил с которым разница в скоростях реакций может быть заметной.

Так что дело не только в рассматривании структурной формулы, но и в рассматривании известных реакций и всяких там сопоставлениях фактов.

Да, но вы смотрите на проблему с точки зрения синтеза. А если посмотреть, так сказать, с классической точки зрения? Положим, мы исследуем новый класс соединений. Вот, например, моя кафедра много лет исследовала 1,5-дикетоны. На определенном этапе возникла идея заняться изучением 3-аза-1,5-дикетонов. Какие в этом случае могут появиться новые реакции? Понятно, что в итоге мы все равно будем проверять на практике, однако некоторые гипотезы предварительно уже имелись. Как же эти гипотезы формируются?

[Venevtsev]

Прикладной философией (осмыслением, обобщением и т.д.) в какой-либо области должны заниматься специалисты, отошедшие от дела (по возрасту, по болезни и пр.), а не дилетанты, зачем-то от балды пришедшие в него . Гораздо эффективне получится философствовать у Вас в том деле, на которое Вы учились и в котором "съели собаку"

[/quote]

Со всем уважением, но вы плохо информированы) Философией науки занимаются не отставные ученые, а специалисты по философии) Но в этой дисциплине приветствуются исследователи, имеющие второе естественно-научное образование. Как правило, философы науки имеют физическое образование. Например, научный руководитель института философии РАН по второму образованию физик. Отсюда, в частности, расхожие идеи о том, что только физика - настоящая наука. Думаю, что химия только выиграет, если ее "осмыслением" будет заниматься человек с химическим образованием.

[Гесс]

Да, но вы смотрите на проблему с точки зрения синтеза. А если посмотреть, так сказать, с классической точки зрения? Положим, мы исследуем новый класс соединений. [...]

А как это "с классической точки зрения"?

Вот, например, моя кафедра много лет исследовала 1,5-дикетоны. На определенном этапе возникла идея заняться изучением 3-аза-1,5-дикетонов. Какие в этом случае могут появиться новые реакции?

они будут реагировать как дикетоны + возможно как вторичные или третичные амины (в зависимости от того что у вас там за "аза"). Отделенность "аза" от "кето" метиленовой СН2 группой должна заметно ослаблять взаимное влияние двух функциональных групп.
Если амин вторичный и достаточно активирован то возможно он сможет реагировать с кетонами, но почти наверняка только межмолекулярно. В условиях способствующих разрыву C-N связи должна наблюдаться реакция фрагментации нехарактерная для дикетонов.

[chemist]

Со всем уважением, но вы плохо информированы)
...
Думаю, что химия только выиграет, если ее "осмыслением" будет заниматься человек с химическим образованием.

Информирован настолько, насколько Вы это позволили . Ага, как минимум химическое образование у Вас имеется, так бы и сказали!
Сдвиг научных интересов кафедры от 1,5-дикетонов к 3-аза-1,5-дикетонам может быть обусловлен одним из многих факторов, возможно это более удобные объекты для изучения какого-нибудь обнаруженного эффекта (явления), который на 3-аза-производных ожидается более явно выраженным. Но, скорее всего, причина тривиальна - аза-функциализация остова молекул придаёт им больший фармакофорный потенциал (и, конечно же, гетероциклическим прозводным на их основе), что повышает заработки химиков (а особено их начальникам) на продаже сэмплов и билдинг блоков за бугор и нашим фирмам типа Asinex

[Venevtsev]

они будут реагировать как дикетоны + возможно как вторичные или третичные амины (в зависимости от того что у вас там за "аза"). Отделенность "аза" от "кето" метиленовой СН2 группой должна заметно ослаблять взаимное влияние двух функциональных групп.
Если амин вторичный и достаточно активирован то возможно он сможет реагировать с кетонами, но почти наверняка только межмолекулярно. В условиях способствующих разрыву C-N связи должна наблюдаться реакция фрагментации нехарактерная для дикетонов.

То есть фактически мы пользуемся знаниями о том, как и какие заместители влияют на реакционную способность данных функциональных групп. Правильно? Но есть ведь и другие аспекты. В случае с теми же 1,5-диекотонами мы не можем объяснить все их реакции только взаимным влиянием. Например, типичные для этого класса внутримолекулярные конденсации. Очевидно, здесь есть и другие правила, помимо взаимного влияния функциональных групп. Но какие?

[Venevtsev]

Ага, как минимум химическое образование у Вас имеется, так бы и сказали!

Да, я специализировался по органической химии. Но это не освобождает меня от необходимости консультироваться с реально практикующими специалистами. Это я тут и пытаюсь делать)

Сдвиг научных интересов кафедры от 1,5-дикетонов к 3-аза-1,5-дикетонам может быть обусловлен одним из многих факторов, возможно это более удобные объекты для изучения какого-нибудь обнаруженного эффекта (явления), который на 3-аза-производных ожидается более явно выраженным. Но, скорее всего, причина тривиальна - аза-функциализация остова молекул придаёт им больший фармакофорный потенциал (и, конечно же, гетероциклическим прозводным на их основе), что повышает заработки химиков (а особено их начальникам) на продаже сэмплов и билдинг блоков за бугор и нашим фирмам типа Asinex

Сдвиг научных интересов действительно чаще обусловлен социальными причинами. В данном случае просто надоело заниматься старой темой. Первый 1,5-диектон получил еще Зинин 150 лет назад) Но здесь я привел этот пример, чтобы показать: задача "чтения" структур, задача прогнозирования свойств вещества - это не абстракция, а вполне практическая задача. Причем не всегда такое "чтение" связано с органическим синтезом. Например, при исследовании механизмов реакций мы смотрим не только на те продукты реакции, которые имеют препаративные выходы, но и вообще на все продукты. Это позволяет сравнить наши теоретические представления о ходе реакции с эмпирическими данными. Основной же вопрос как раз и состоит в том, как именно такие теоретические представления возникают.

Я согласен в вами в том, что в своей области химик чаще всего "читает" структуру автоматически. Но это не значит, что такое "чтение" иррационально и что его механизм нельзя выявить.

[Vittorio]

В случае с теми же 1,5-диекотонами мы не можем объяснить все их реакции только взаимным влиянием. Например, типичные для этого класса внутримолекулярные конденсации. Очевидно, здесь есть и другие правила, помимо взаимного влияния функциональных групп. Но какие?

безусловно, есть и другие факторы. Взаимное влияние групп - это статика, некая данность, исходный материал для превращения, если Вам так более понятно - чисто метафизический аспект химического взаимодействия. А еще есть и динамика - кинетические и термодинамические факторы. Классики диалектики учили, что каждое явление следует рассматривать в контексте непрерывного развития. Вот это оно и есть. Применительно к реакциям 1,5-дикетонов - в целом-общем, если есть возможность межмолекулярного и внутримолекулярного процесса, то последний, как правило, предпочтителен. В пользу внутримолекулярной конденсации работает энтропийный фактор (грубо - из одной молекулы получается две-три - продукт конденсации и, например, вода -это увеличивает общую энтропию системы со всеми вытекающими). Опять же, могут играть роль сольватационные эффекты - реагенты окружены "шубой" молекул растворителя, посему у реакции в сольватной клетке больше шансов произойти..

[Гесс]

В случае с теми же 1,5-диекотонами мы не можем объяснить все их реакции только взаимным влиянием. Например, типичные для этого класса внутримолекулярные конденсации. Очевидно, здесь есть и другие правила, помимо взаимного влияния функциональных групп. Но какие?

2,6-гептандион с щелочью дает 3-метил-2-циклогексенон с выходом 87% http://ranjennysedu.com/images/20-Carbo ... ctions.pdf
В зависимости от донорной или акцепторной природы заместителя а также от механизма реакции барьер может повышаться или понижаться. Во всяком случае нельзя говорить что это новое свойство проявляющееся у дочернего класса и не проявляющееся у материнского.

[chemist]

Я согласен в вами в том, что в своей области химик чаще всего "читает" структуру автоматически. Но это не значит, что такое "чтение" иррационально и что его механизм нельзя выявить.

Да, можно, конечно, выявить механизм интуитивного предсказания поведения молекул у одного, двух и даже 10-ти химиков, ну а дальше-то что? Всё равно это ничего не даст, пока не приобретёшь эту способность сам, как следует не прочувствуешь и не обмыслишь, иначе будет фальшиво
А о молекулах лучше рассуждать на примере конкретных реакций...

[Venevtsev]

В случае с теми же 1,5-диекотонами мы не можем объяснить все их реакции только взаимным влиянием. Например, типичные для этого класса внутримолекулярные конденсации. Очевидно, здесь есть и другие правила, помимо взаимного влияния функциональных групп. Но какие?

2,6-гептандион с щелочью дает 3-метил-2-циклогексенон с выходом 87% http://ranjennysedu.com/images/20-Carbo ... ctions.pdf
В зависимости от донорной или акцепторной природы заместителя а также от механизма реакции барьер может повышаться или понижаться. Во всяком случае нельзя говорить что это новое свойство проявляющееся у дочернего класса и не проявляющееся у материнского.

я имел в виду аспекты, не связанные с индуктивным или мезомерным эффектом. например, стерические затруднения. если мы говорим о внутримолекулярных конденсациях, то с известными оговорками можно утверждать, что при наличии альтернатив реализуется то направление реакции, которое ведет к менее напряженным циклическим системам. или нельзя так сказать?

[Гесс]

я имел в виду аспекты, не связанные с индуктивным или мезомерным эффектом. например, стерические затруднения. если мы говорим о внутримолекулярных конденсациях, то с известными оговорками можно утверждать, что при наличии альтернатив реализуется то направление реакции, которое ведет к менее напряженным циклическим системам. или нельзя так сказать?

Это один из факторов. В случае термодинамического контроля реакции - важный.
В том же самом документе показана альтернативная реакция дающая 4членный цикл и обьяснено почему его мало.
В то же время не все химические превращения идут с образованием менее напряженных систем. Например в ходе фотоциклизации напряженность системы обычно возрастает.
При наличии альтернативных путей протекания реакции влияние на направление могут оказывать концентрация (высокое разбавление играет на пользу внутримолекулярной конденсации при наличии альтернативной межмолекулярной), растворитель, температура, катализатор и т.д.

[Maloy]

если посмотреть на то, как развивалась химия элементов, то видно, что ниче там предсказать не могли... просто тупо брали и делали по аналогии с уже известным и потихоньку формировали новую область знаний - химию соединений там фтора, бора, переходных металлов и тд... вот взять хотя бы олефины CH2=CH2, CF2=CF2, CF3CF=CF2 и CH3CH=CH2 и че тут сказать? кто возьмется предсказать, кто из этих олефинов легче всего полимеризуется?

[Venevtsev]

если посмотреть на то, как развивалась химия элементов, то видно, что ниче там предсказать не могли... просто тупо брали и делали по аналогии с уже известным и потихоньку формировали новую область знаний - химию соединений там фтора, бора, переходных металлов и тд... вот взять хотя бы олефины CH2=CH2, CF2=CF2, CF3CF=CF2 и CH3CH=CH2 и че тут сказать? кто возьмется предсказать, кто из этих олефинов легче всего полимеризуется?

Понятно, что в чаще всего точное предсказание невозможно. Именно поэтому органическая химия наука экспериментальная, а не теоретическая. И слава богу) Вместе с тем, в большинстве случаев можно указать несколько наиболее вероятных направлений протекания реакции. Я как раз и пытаюсь установить, на основе чего формируется такой прогноз.

Очевидно, что при этом используется целая группа разноплановых факторов. С одной стороны, есть ограничения, налагаемые теорией. Например, третичные спирты в принципе не могут быть окислены без разрыва углеродной цепи. Далее, есть эпирические закономерности. Но они сформулированы по отношению к разным типам объектов - фукициональным группам, классам соединений, реакциям. Положим, двойная углерод-углеродная связь легко присоединяет электрофильные реагенты. А 1,4-дикетоны легко образуют гетероциклы с нуклеофилами. В обоих случаях будет работать аналогия между структурно простыми и структурно сложными случаями. Иногда применение аналогии затруднительно, поскольку, во-первых, целое не есть простая сумма частей, а во-вторых, факторы могут работать друг против друга. Вот пока как-то так)

[Maloy]

Вместе с тем, в большинстве случаев можно указать несколько наиболее вероятных направлений протекания реакции. Я как раз и пытаюсь установить, на основе чего формируется такой прогноз.

такой прогноз формируется на основании аналогий... когда Вудворд показал, что ферроцен подобно бензолу реагирует по Фриделю-Крафтсу, то дальнейшие исследования этого соединения ему стали не интересны поскольку стало понятно, что надо брать и тупо перебирать реакции характерные для бензола... и это интеллектуальное занятие он оставил советским химикам...

[Vittorio]

когда Вудворд показал, что ферроцен подобно бензолу реагирует по Фриделю-Крафтсу, то дальнейшие исследования этого соединения ему стали не интересны поскольку стало понятно, что надо брать и тупо перебирать реакции характерные для бензола... и это интеллектуальное занятие он оставил советским химикам...

Ученый должен быть достаточно ленив, — объяснял мне Зубр. — На этот счет у англичан есть прекрасное правило: не стоит делать того, что все равно сделают немцы.

[Ferom]

Когда общался с химиками-органиками при обсуждении механизмов реакций, часто слышал такое объяснение – образование 6-ти членных циклов в открытых системах наиболее вероятно, а значит, вероятнее всего в реакции молекулы будут взаимодействовать так, чтобы их функциональные группы своими атомами образовывали 6-ти членный цикл.