Orgaaninen synteesi

Kokonaissynteesi

Kokonaissynteesi on monimutkaisten orgaanisten molekyylien täydellinen kemiallinen synteesi yksinkertaisista, kaupallisesti saatavilla olevista (petrokemiallisista) tai luonnollisista lähtöaineista. Lineaarisessa synteesissä - jota käytetään usein yksinkertaisiin rakenteisiin - useita vaiheita suoritetaan peräkkäin, kunnes molekyyli on valmis. Kussakin vaiheessa valmistettuja kemiallisia yhdisteitä kutsutaan yleensä synteettisiksi välituotteiksi. Monimutkaisemmille molekyyleille voidaan käyttää toisenlaista lähestymistapaa: konvergenssisynteesissä valmistetaan erikseen useita "paloja" (keskeisiä välituotteita), jotka sitten yhdistetään päämäärätuotteen muodostamiseksi.

Robert Burns Woodwardia, joka sai vuonna 1965 Nobelin kemianpalkinnon useista täydellisistä synteeseistä (esimerkiksi strykniinin synteesi vuonna 1954), pidetään modernin orgaanisen synteesin isänä. Viimeaikaisia esimerkkejä kokonaissynteesistä ovat Wenderin, Holtonin, Nicolaoun ja Danishefskyn taksolisynteesi.

Menetelmät ja sovellukset

Jokainen synteesin vaihe sisältää kemiallisen reaktion, ja reagenssit ja olosuhteet on suunniteltava niin, että saadaan hyvä saanto ja puhdas tuote mahdollisimman vähällä työllä. Kirjallisuudessa saattaa olla jo olemassa menetelmä jonkin varhaisen synteettisen välituotteen valmistamiseksi, ja tätä menetelmää käytetään yleensä sen sijaan, että yritettäisiin keksiä pyörä uudelleen. Useimmat välituotteet ovat kuitenkin yhdisteitä, joita ei ole koskaan aikaisemmin valmistettu. Ne valmistetaan tavallisesti käyttämällä menetelmien tutkijoiden kehittämiä yleisiä menetelmiä. Ollakseen käyttökelpoisia näiden menetelmien on tuotettava suuria määriä. Niiden on myös oltava luotettavia monenlaisille substraateille. Käytännön sovelluksissa lisävaatimuksia ovat muun muassa turvallisuutta ja puhtautta koskevat teolliset standardit. Menetelmätutkimukseen kuuluu yleensä kolme päävaihetta: keksiminen, optimointi sekä laajuuden ja rajoitusten tutkiminen. Löytäminen edellyttää laajaa tietoa ja kokemusta sopivien reagenssien kemiallisista reaktiivisuuksista. Optimoinnissa testataan yhtä tai kahta lähtöyhdistettä reaktiossa monenlaisissa lämpötilan, liuottimen, reaktioajan jne. olosuhteissa. Tutkijat kokeilevat erilaisia olosuhteita, kunnes he löytävät tuotteen saannon ja puhtauden kannalta parhaat olosuhteet. Lopuksi tutkijat pyrkivät laajentamaan synteesimenetelmää laajalle alueelle erilaisia lähtöaineita, jotta löydetään sen soveltamisala ja rajoitukset. Kokonaissynteesiä (ks. edellä) käytetään toisinaan uuden menetelmän korostamiseen ja sen arvon osoittamiseen todellisessa sovelluksessa. Erityisesti polymeereihin (ja muoveihin) ja lääkkeisiin keskittyneet suuret teollisuudenalat ovat käyttäneet tätä tutkimusta.

Epäsymmetrinen synteesi

Useimmat monimutkaiset luonnontuotteet ovat kiraalisia. Kullakin enantiomeerillä voi olla erilainen bioaktiivisuus. Perinteiset kokonaissynteesit kohdistuivat raseemisiin seoksiin eli molempien mahdollisten enantiomeerien yhtä suurina seoksina. Raseeminen seos voitaisiin sitten erottaa toisistaan kiraalisen resoluution avulla.

1900-luvun jälkipuoliskolla kemistit alkoivat kehittää epäsymmetrisen katalyysin ja kineettisen resoluution menetelmiä. Näitä reaktioita voitiin ohjata tuottamaan vain yhtä enantiomeeria eikä raseemista seosta. Varhaisia esimerkkejä ovat Sharplessin epoksidaatio (K. Barry Sharpless) ja epäsymmetrinen hydrataatio (William S. Knowles ja Ryōji Noyori). Saavutuksistaan nämä työntekijät saivat kemian Nobel-palkinnon vuonna 2001. Tällaisten reaktioiden ansiosta kemistit saivat paljon laajemman valikoiman enantiomeerisesti puhtaita molekyylejä orgaanisen synteesin aloittamiseen. Aiemmin voitiin käyttää vain luonnollisia enantiomeerisiä lähtöaineita. Robert Burns Woodwardin uraauurtavien tekniikoiden ja muiden uusien synteettisten menetelmien avulla kemistit pystyivät entistä paremmin valmistamaan monimutkaisia molekyylejä ilman ei-toivottua rasemisoitumista. Tätä kutsutaan stereokontrolliksi. Tämän ansiosta lopullinen kohdemolekyyli voitiin syntetisoida yhtenä puhtaana enantiomeerinä ilman, että resoluutio oli tarpeen. Tällaisia tekniikoita kutsutaan epäsymmetriseksi synteesiksi.

Synteesin suunnittelu

Elias James Corey toi synteesien suunnitteluun muodollisemman lähestymistavan, joka perustuu retrosynteettiseen analyysiin ja josta hän sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1990. Tässä lähestymistavassa tutkimus suunnitellaan tuotteesta taaksepäin käyttäen vakiosääntöjä. Vaiheet esitetään käyttämällä retrosynteettisiä nuolia (piirretty muodossa: =>), mikä tarkoittaa käytännössä "on tehty". Synteesin suunnittelua varten on kirjoitettu tietokoneohjelmia, jotka perustuvat yleisten "puolireaktioiden" sarjoihin.