Sinteza organică

O sinteză totală este sinteza chimică completă a unor molecule organice complexe din precursori simpli, disponibili în comerț (petrochimici) sau naturali. Într-o sinteză liniară - adesea utilizată pentru structuri simple - se realizează mai multe etape, una după alta, până când molecula este completă. Compușii chimici obținuți în fiecare etapă se numesc, de obicei, intermediari de sinteză. Pentru moleculele mai complexe, poate fi preferabilă o abordare diferită: sinteza convergentă implică prepararea individuală a mai multor "piese" (intermediari cheie), care sunt apoi combinate pentru a forma produsul final.

Robert Burns Woodward, care a primit Premiul Nobel pentru chimie în 1965 pentru mai multe sinteze totale (de exemplu, sinteza stricninei din 1954), este considerat părintele sintezei organice moderne. Printre exemplele de sinteză totală din zilele noastre se numără sinteza de taxol a lui Wender, Holton, Nicolaou și Danishefsky.

Fiecare etapă a unei sinteze implică o reacție chimică, iar reactivii și condițiile pentru fiecare dintre aceste reacții trebuie să fie concepute astfel încât să dea un randament bun și un produs pur, cu cât mai puțină muncă posibil. Este posibil să existe deja o metodă în literatura de specialitate pentru obținerea unuia dintre primii intermediari de sinteză și, de obicei, se va folosi această metodă, mai degrabă decât să se "încerce să se reinventeze roata". Cu toate acestea, majoritatea intermediarilor sunt compuși care nu au mai fost obținuți până acum. Aceștia vor fi în mod normal obținuți folosind metode generale dezvoltate de cercetătorii metodologi. Pentru a fi utile, aceste metode trebuie să ofere randamente ridicate. De asemenea, ele trebuie să fie fiabile pentru o gamă largă de substraturi. Pentru aplicațiile practice, cerințele suplimentare includ standarde industriale de siguranță și puritate. Cercetarea metodologică implică, de obicei, trei etape principale: descoperire, optimizare și studii privind domeniul de aplicare și limitările. Descoperirea necesită cunoștințe extinse și experiență cu privire la reactivitățile chimice ale reactivilor corespunzători. Optimizarea este cea în care unul sau doi compuși de pornire sunt testați în reacție într-o mare varietate de condiții de temperatură, solvent, timp de reacție etc. Cercetătorii încearcă diferite condiții până când găsesc cele mai bune condiții pentru randamentul și puritatea produsului. În cele din urmă, cercetătorii încearcă să extindă metoda de sinteză la o gamă largă de materiale de plecare diferite, pentru a-i descoperi domeniul de aplicare și limitele. Sintezele totale (a se vedea mai sus) sunt uneori utilizate pentru a evidenția noua metodă și pentru a demonstra valoarea acesteia într-o aplicație din lumea reală. Marile industrii axate în special pe polimeri (și materiale plastice) și pe produse farmaceutice au utilizat această cercetare.

Majoritatea produselor naturale complexe sunt chirale. Fiecare enantiomer poate avea o bioactivitate diferită. Sintezele totale tradiționale vizau amestecuri racemice, adică un amestec egal al ambilor enantiomeri posibili. Amestecul racemic putea fi apoi separat prin rezoluție chirală.

În a doua jumătate a secolului al XX-lea, chimiștii au început să dezvolte metode de cataliză asimetrică și de rezoluție cinetică. Aceste reacții puteau fi dirijate pentru a produce doar un singur enantiomer, mai degrabă decât un amestec racemic. Printre primele exemple se numără epoxidarea Sharpless (K. Barry Sharpless) și hidrogenarea asimetrică (William S. Knowles și Ryōji Noyori). Pentru realizările lor, acești lucrători au împărțit Premiul Nobel pentru Chimie în 2001. Astfel de reacții au oferit chimiștilor o gamă mult mai largă de molecule cu puritate enantiomerică pentru a începe o sinteză organică. Anterior, puteau fi utilizate doar materiale de pornire cu enantiomeri naturali. Cu ajutorul tehnicilor inițiate de Robert Burns Woodward și al altor metode sintetice noi, chimiștii au devenit mai capabili să producă molecule complexe fără racemizare nedorită. Acest lucru se numește stereocontrol. Acest lucru a permis sintetizarea moleculei țintă finale sub forma unui singur enantiomer pur, fără a fi necesară nicio rezoluție. Astfel de tehnici sunt denumite sinteză asimetrică.

Elias James Corey a adus o abordare mai formală a proiectării sintezei, bazată pe analiza retrosintetică, pentru care a primit Premiul Nobel pentru chimie în 1990. În această abordare, cercetarea este planificată în sens invers față de produs, folosind reguli standard. Etapele sunt reprezentate cu ajutorul săgeților retrosintetice (desenate sub forma: =>), ceea ce înseamnă, de fapt, "este făcut din". Au fost scrise programe de calculator pentru proiectarea unei sinteze bazate pe secvențe de "semi-reacții" generice.