Οργανική σύνθεση

Η οργανική σύνθεση είναι πεδίο της χημικής σύνθεσης και αποτελεί χημική διεργασία κατά την οποία απλές οργανικές ή ανόργανες ενώσεις μετατρέπονται, μέσω ελεγχόμενων αντιδράσεων, σε πιο σύνθετα οργανικά μόρια (οργανικές ενώσεις). 

Οι οργανικές ενώσεις είναι μόρια που αποτελούνται από συνδυασμούς ατόμων με ομοιοπολικά συνδεδεμένα υδρογόνο, άνθρακα, οξυγόνο και άζωτο. Στο γενικό θέμα της οργανικής σύνθεσης, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι συνθετικών οδών που μπορούν να ολοκληρωθούν, συμπεριλαμβανομένης της ολικής σύνθεσης, της στερεοεκλεκτικής σύνθεσης (stereoselective synthesis), της αυτοματοποιημένης σύνθεσης (automated synthesis), και πολλών άλλων. 

Χρησιμοποιείται για την παραγωγή καθαρών ουσιών με συγκεκριμένη δομή και ιδιότητες, κυρίως στη φαρμακευτική, τη βιομηχανία υλικών και τη βιοτεχνολογία.

 Ολική σύνθεση 
Η ολική σύνθεση αναφέρεται στην πλήρη χημική σύνθεση των μορίων από απλούς, φυσικούς προδρόμους. Η ολική σύνθεση επιτυγχάνεται είτε με γραμμική, είτε με συγκλίνουσα προσέγγιση. Σε μια γραμμική σύνθεση—συχνά επαρκή για απλές δομές—εκτελούνται αρκετά βήματα διαδοχικά μέχρι να ολοκληρωθεί το μόριο. Οι χημικές ενώσεις που παράγονται σε κάθε στάδιο ονομάζονται συνθετικά ενδιάμεσα (synthetic intermediates). Τις περισσότερες φορές, κάθε βήμα σε μια σύνθεση είναι μια ξεχωριστή αντίδραση που λαμβάνει χώρα για την τροποποίηση των πρώτων υλών. Για πιο πολύπλοκα μόρια, μια συγκλίνουσα συνθετική προσέγγιση μπορεί να είναι πιο κατάλληλη. Αυτός ο τύπος σχήματος αντίδρασης περιλαμβάνει τις επιμέρους παρασκευές πολλών βασικών ενδιάμεσων, τα οποία στη συνέχεια συνδυάζονται για να σχηματίσουν το επιθυμητό προϊόν.

Ο Ρόμπερτ Μπερνς Γούντγουορντ, ο οποίος έλαβε το Βραβείο Νόμπελ Χημείας 1965 για πολλές ολικές συνθέσεις  συμπεριλαμβανομένης της σύνθεσής του για τη στρυχνίνη, θεωρείται ο παππούς της σύγχρονης οργανικής σύνθεσης. Μερικά παραδείγματα πιο πρόσφατων συνθέσεων περιλαμβάνουν ολική σύνθεση ταξόλης από τους Wender, Holton Νικολάου, και Danishefsky. Το φάρμακο πακλιταξέλη (εμπορική ονομασία Taxol) είναι αντικαρκινικό.
 Μεθοδολογία και εφαρμογές 
Πριν να ξεκινήσει οποιαδήποτε οργανική σύνθεση, είναι σημαντικό να κατανοηθούν οι χημικές αντιδράσεις, τα αντιδραστήρια και οι συνθήκες που απαιτούνται σε κάθε βήμα για να διασφαλιστεί ο επιτυχής σχηματισμός του προϊόντος. Κατά τον καθορισμό των βέλτιστων συνθηκών αντίδρασης για μια δεδομένη σύνθεση, ο στόχος είναι να παραχθεί μια επαρκής απόδοση καθαρού προϊόντος με όσο το δυνατόν λιγότερα βήματα. Όταν αποφασίζονται οι συνθήκες για μια αντίδραση, η βιβλιογραφία μπορεί να προσφέρει παραδείγματα προηγούμενων συνθηκών αντίδρασης που μπορούν να επαναληφθούν, ή μπορεί να αναπτυχθεί και να δοκιμαστεί μια νέα συνθετική οδός. Για πρακτικές, βιομηχανικές εφαρμογές πρέπει να ληφθούν υπόψη πρόσθετες συνθήκες αντίδρασης που περιλαμβάνουν την ασφάλεια τόσο των ερευνητών όσο και του περιβάλλοντος, καθώς και την καθαρότητα του προϊόντος.
 Συνθετικές τεχνικές 
Η οργανική σύνθεση απαιτεί πολλά βήματα για τον διαχωρισμό και τον καθαρισμό των προϊόντων. Ανάλογα με τη χημική κατάσταση του προϊόντος που πρόκειται να απομονωθεί, απαιτούνται διαφορετικές τεχνικές. Για υγρά προϊόντα, μια πολύ κοινή τεχνική διαχωρισμού είναι η εκχύλιση υγρού-υγρού και για στερεά προϊόντα μπορεί να χρησιμοποιηθεί διήθηση (βαρύτητα ή κενό).
 Εκχύλιση υγρού-υγρού 
Η εκχύλιση υγρού-υγρού χρησιμοποιεί την πυκνότητα και τη πολικότητα του προϊόντος και τους διαλύτες για την εκτέλεση ενός διαχωρισμού. Με βάση την έννοια του "όμοια-διαλύουν-όμοια", οι μη πολικές ενώσεις είναι περισσότερο διαλυτές σε μη πολικούς διαλύτες και οι πολικές ενώσεις είναι πιο διαλυτές σε πολικούς διαλύτες. Χρησιμοποιώντας αυτήν την έννοια, η σχετική διαλυτότητα των ενώσεων μπορεί να αξιοποιηθεί με την προσθήκη μη αναμείξιμων διαλυτών στην ίδια φιάλη και τον διαχωρισμό του προϊόντος στον διαλύτη με την πιο παρόμοια πολικότητα. Η αναμειξιμότητα του διαλύτη είναι μείζονος σημασίας καθώς επιτρέπει τον σχηματισμό δύο στρώσεων στη φιάλη, μία στρώση που περιέχει το υλικό της πλευρικής αντίδρασης και μία που περιέχει το προϊόν. Ως αποτέλεσμα των διαφορετικών πυκνοτήτων των στρωμάτων, η στρώση που περιέχει το προϊόν μπορεί να απομονωθεί και η άλλη στρώση μπορεί να αφαιρεθεί.
 Θερμαινόμενες αντιδράσεις και συμπυκνωτές αναρροής 
Πολλές αντιδράσεις απαιτούν θερμότητα για να αυξηθεί η ταχύτητα αντίδρασης. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις η αυξημένη θερμότητα μπορεί να προκαλέσει τον ανεξέλεγκτο βρασμό του διαλύτη, κάτι που επηρεάζει αρνητικά την αντίδραση και μπορεί ενδεχομένως να μειώσει την απόδοση του προϊόντος. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, μπορούν να τοποθετηθούν συμπυκνωτές αναρροής σε γυάλινα σκεύη αντίδρασης. Οι συμπυκνωτές αναρροής είναι ειδικά βαθμονομημένα κομμάτια γυαλικών που διαθέτουν δύο εισόδους για να τρέχει νερό μέσα και έξω από το γυαλί ενάντια στη βαρύτητα. Αυτή η ροή νερού ψύχει κάθε υπόστρωμα που διαφεύγει και το συμπυκνώνει πίσω στη φιάλη αντίδρασης για να συνεχίσει να αντιδρά και διασφαλίζει ότι περιέχεται όλο το προϊόν. Η χρήση συμπυκνωτών αναρροής είναι μια σημαντική τεχνική στις οργανικές συνθέσεις και χρησιμοποιείται σε βήματα αναρροής, καθώς και σε βήματα ανακρυστάλλωσης.
Όταν χρησιμοποιούνται για αναρροή διαλύματος, τοποθετούνται συμπυκνωτές αναρροής και παρακολουθούνται προσεκτικά. Η αναρροή συμβαίνει όταν μπορεί να παρατηρηθεί συμπύκνωση να στάζει πίσω στη φιάλη αντίδρασης από τον συμπυκνωτή αναρροής. 1 σταγόνα κάθε δευτερόλεπτο ή λίγα δευτερόλεπτα.
Για την ανακρυστάλλωση, το διάλυμα που περιέχει το προϊόν είναι εξοπλισμένο με συμπυκνωτή και φέρεται ξανά σε αναρροή. Η αναρροή ολοκληρώνεται όταν το διάλυμα που περιέχει το προϊόν είναι διαυγές. Μόλις διαυγαστεί, η αντίδραση αφαιρείται από τη θερμότητα και αφήνεται να κρυώσει, πράγμα που θα προκαλέσει την εκ νέου κατακρήμνιση του προϊόντος, δίνοντας ένα πιο καθαρό προϊόν.
 Διήθηση βαρύτητας και κενού 
Τα στερεά προϊόντα μπορούν να διαχωριστούν από ένα μείγμα αντίδρασης χρησιμοποιώντας τεχνικές διήθησης. Για τη λήψη στερεών προϊόντων μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια συσκευή διήθησης κενού.
Η διήθηση κενού χρησιμοποιεί αναρρόφηση για να τραβήξει υγρό μέσα από μια χοάνη Büchner εξοπλισμένη με διηθητικό χαρτί, το οποίο συλλαμβάνει το επιθυμητό στερεό προϊόν. Αυτή η διαδικασία αφαιρεί τυχόν ανεπιθύμητο διάλυμα στο μείγμα της αντίδρασης τραβώντας το μέσα στη φιάλη διήθησης και αφήνοντας το επιθυμητό προϊόν να συλλεχθεί στο διηθητικό χαρτί.
Τα υγρά προϊόντα μπορούν επίσης να διαχωριστούν από τα στερεά χρησιμοποιώντας διήθηση βαρύτητας (gravity filtration). Σε αυτήν τη μέθοδο διαχωρισμού, το διηθητικό χαρτί διπλώνεται σε ένα χωνί και τοποθετείται πάνω από μια φιάλη αντίδρασης. Το μείγμα της αντίδρασης στη συνέχεια χύνεται μέσω του διηθητικού χαρτιού (filter paper), με ρυθμό τέτοιο ώστε ο συνολικός όγκος του υγρού στο χωνί να μην υπερβαίνει τον όγκο του χωνιού. Αυτή η μέθοδος επιτρέπει στο προϊόν να διαχωριστεί από άλλα συστατικά της αντίδρασης με τη δύναμη της βαρύτητας, αντί του κενού.
 Στερεοεκλεκτική σύνθεση 
Τα πιο πολύπλοκα φυσικά προϊόντα είναι χειρόμορφα, και η βιοδραστικότητα των χειρόμορφων μορίων ποικίλλει ανάλογα με το εναντιομερές. Ορισμένες ολικές συνθέσεις στοχεύουν ρακεμικά μείγματα, τα οποία είναι μείγματα και των δύο πιθανών εναντιομερών. Στη συνέχεια, μπορεί να επιλεγεί ένα μεμονωμένο εναντιομερές μέσω εναντιομερούς ανάλυσης.
Καθώς η χημεία έχει αναπτύξει μεθόδους στερεοεκλεκτικής κατάλυσης και κινητικής ανάλυσης οι αντιδράσεις μπορούν να κατευθύνονται, παράγοντας μόνο ένα εναντιομερές και όχι ένα ρακεμικό μείγμα. Τα πρώτα παραδείγματα περιλαμβάνουν στερεοεκλεκτικές υδρογονώσεις (π.χ., όπως αναφέρεται από τους William Knowles και Ryōji Noyori) και τροποποιήσεις χαρακτηρστικής ομάδας, όπως η ασύμμετρη εποξείδωση από Barry Sharpless. 
Για αυτές τις προόδους στη στερεοχημική προτίμηση, αυτοί οι χημικοί τιμήθηκαν με το Βραβείο Νόμπελ της Χημείας το 2001. Τέτοιες προτιμησιακές στερεοχημικές αντιδράσεις δίνουν στους χημικούς μια πολύ πιο ποικίλη επιλογή εναντιομερικά καθαρών υλικών.
Χρησιμοποιώντας τεχνικές που αναπτύχθηκαν από τον Robert B. Woodward σε συνδυασμό με τις εξελίξεις στη συνθετική μεθοδολογία, οι χημικοί μπόρεσαν να συνθέσουν στερεοχημικά εκλεκτικά πολύπλοκα μόρια χωρίς ρακεμοποίηση. Ο στερεοχημικός έλεγχος (Stereocontrol) παρέχει τα μόρια-στόχους που πρόκειται να συντεθούν ως καθαρά εναντιομερή (δηλαδή, χωρίς ανάγκη διαχωρισμού). Τέτοιες τεχνικές αναφέρονται ως στερεοεκλεκτική σύνθεση.

 Σχεδίαση σύνθεσης 
Πολλές συνθετικές διαδικασίες αναπτύσσονται από ένα ρετροσυνθετικό πλαίσιο, έναν τύπο συνθετικού σχεδιασμού που αναπτύχθηκε από τον Elias James Corey, για τον οποίο κέρδισε το Βραβείο Νόμπελ Χημείας το 1990. Σε αυτήν την προσέγγιση, η σύνθεση σχεδιάζεται αντίστροφα από το προϊόν, τηρώντας τους τυπικούς χημικούς κανόνες. Κάθε βήμα αναλύει τη μητρική δομή σε εφικτά στοιχεία, τα οποία εμφανίζονται μέσω της χρήσης γραφικών σχημάτων με «ρετροσυνθετικά βέλη» (σχεδιασμένα ως ⇒, που στην πραγματικότητα σημαίνει «κατασκευάζεται από»). Η ρετροσύνθεση επιτρέπει την οπτικοποίηση των επιθυμητών συνθετικών σχεδίων.
 Αυτοματοποιημένη οργανική σύνθεση 
Μια πρόσφατη εξέλιξη στην οργανική σύνθεση είναι η αυτoματοματοποιημένη σύνθεση. Για τη διεξαγωγή οργανικής σύνθεσης χωρίς ανθρώπινη συμμετοχή, οι ερευνητές προσαρμόζουν τις υπάρχουσες συνθετικές μεθόδους και τεχνικές για να δημιουργήσουν πλήρως αυτοματοποιημένες συνθετικές διαδικασίες χρησιμοποιώντας λογισμικό οργανικής σύνθεσης. Αυτός ο τύπος σύνθεσης είναι πλεονεκτικός καθώς ο συνθετικός αυτοματισμός μπορεί να αυξήσει την απόδοση με συνεχείς "ρέουσες" αντιδράσεις. Στη χημεία συνεχούς ροής, τα υποστρώματα τροφοδοτούνται συνεχώς στην αντίδραση για να παραχθεί υψηλότερη απόδοση. Προηγουμένως, αυτός ο τύπος αντίδρασης προοριζόταν για μεγάλης κλίμακας βιομηχανική χημεία, αλλά πρόσφατα μετατράπηκε σε χημεία εργαστηριακής κλίμακας για να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα των αντιδράσεων σε μικρότερη κλίμακα.
Επί του παρόντος, η SRI International, ένα μη κερδοσκοπικό ερευνητικό ινστιτούτο, ενσωματώνει την αυτοματοποιημένη σύνθεση στο έργο τους. Πρόσφατα η SRI International ανέπτυξε το Autosyn, έναν αυτοματοποιημένο χημικό συνθέτη πολλαπλών σταδίων που μπορεί να συνθέσει πολλά φάρμακα μικρομορίων εγκεκριμένων από την Food and Drug Administration (FDA). Αυτός ο συνθέτης καταδεικνύει την ευελιξία των υποστρωμάτων και την ικανότητα δυνητικής επέκτασης του είδους της έρευνας που διεξάγεται σε νέα μόρια φαρμάκων χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση.
Η αυτοματοποιημένη χημεία και οι αυτοματοποιημένοι συνθέτες που χρησιμοποιούνται δείχνουν μια πιθανή κατεύθυνση για τη συνθετική χημεία στο μέλλον.
 Χαρακτηρισμός 
Απαραίτητος για την οργανική σύνθεση είναι ο χαρακτηρισμός. Ο χαρακτηρισμός αναφέρεται στη μέτρηση των χημικών και φυσικών ιδιοτήτων μιας δεδομένης ένωσης και εμφανίζεται σε πολλές μορφές. Παραδείγματα κοινών μεθόδων χαρακτηρισμού περιλαμβάνουν: τον  πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR), τη φασματομετρία μάζας, την φασματοσκοπία υπερύθρου μετασχηματισμού Φουριέ (Fourier-transform infrared spectroscopy, FTIR), και ανάλυση σημείου τήξης. Κάθε μία από αυτές τις τεχνικές επιτρέπει σε έναν χημικό να αποκτήσει δομικές πληροφορίες σχετικά με μια νεοσυντιθέμενη οργανική ένωση. Ανάλογα με τη φύση του προϊόντος, η μέθοδος χαρακτηρισμού που χρησιμοποιείται μπορεί να ποικίλλει.
 Συνάφεια 
Η οργανική σύνθεση είναι μια σημαντική χημική διαδικασία που είναι αναπόσπαστη σε πολλά επιστημονικά πεδία. Παραδείγματα πεδίων πέρα από τη χημεία που απαιτούν οργανική σύνθεση περιλαμβάνουν την ιατρική και τη φαρμακευτική βιομηχανία και πολλά άλλα. Οι οργανικές διεργασίες επιτρέπουν τη δημιουργία φαρμακευτικών προϊόντων σε βιομηχανική κλίμακα. Ένα παράδειγμα τέτοιας σύνθεσης είναι η ιβουπροφαίνη. Η ιβουπροφαίνη μπορεί να συντεθεί από μια σειρά αντιδράσεων που περιλαμβάνουν: αναγωγή, [[[Οξύ|οξίνιση]], σχηματισμό ενός αντιδραστηρίου Grignard και καρβοξυλίωση.
Στη σύνθεση της ιβουπροφαίνης που προτείνεται από τον Kjonass κ.α., η p-ισοβουτυλακετοφαινόνη, η πρώτη ύλη, ανάγεται με βοροϋδρίδιο του νατρίου (NaBH4) για να σχηματιστεί μια χαρακτηριστική ομάδα αλκοόλης. Το προκύπτον ενδιάμεσο οξινίζεται με HCl για να δημιουργηθεί μια ομάδα χλωρίου. Η ομάδα χλωρίου στη συνέχεια αντιδρά με ρινίσματα μαγνήσιου για να σχηματιστεί ένα αντιδραστήριο Grignard. Αυτό το αντιδραστήριο Grignard καρβοξυλιώνεται και το προκύπτον προϊόν επεξεργάζεται για να συντεθεί ιβουπροφαίνη.
Αυτή η συνθετική οδός είναι μόνο μία από τις πολλές ιατρικά και βιομηχανικά σχετικές αντιδράσεις που έχουν δημιουργηθεί και συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται.
 Παραπομπές 

Παραπέρα μελέτη

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

 The Organic Synthesis Archive
 Chemical synthesis database
 https://web.archive.org/web/20070927231356/http://www.webreactions.net/search.html
 https://www.organic-chemistry.org/synthesis/
 Prof. Hans Reich's collection of natural product syntheses
 Chemical synthesis semantic wiki

Κατηγορία:Οργανική σύνθεση