Synteza organiczna

Synteza całkowita to kompletna synteza chemiczna złożonych cząsteczek organicznych z prostych, komercyjnie dostępnych (petrochemicznych) lub naturalnych prekursorów. W syntezie liniowej - często stosowanej w przypadku prostych struktur - wykonuje się kilka etapów jeden po drugim, aż do uzyskania kompletnej cząsteczki. Związki chemiczne powstające w każdym z tych etapów są zwykle nazywane półproduktami syntetycznymi. W przypadku bardziej złożonych cząsteczek preferowane może być inne podejście: synteza konwergentna polega na indywidualnym przygotowaniu kilku "części" (kluczowych produktów pośrednich), które są następnie łączone w celu utworzenia produktu końcowego.

Robert Burns Woodward, który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1965 r. za kilka syntez całkowitych (np. synteza strychniny w 1954 r.), jest uważany za ojca nowoczesnej syntezy organicznej. Niektóre współczesne przykłady całkowitej syntezy obejmują syntezę taksolu przeprowadzoną przez Wendera, Holtona, Nicolaou i Danishefsky'ego.

Każdy etap syntezy wiąże się z reakcją chemiczną, a odczynniki i warunki dla każdej z tych reakcji muszą być tak zaprojektowane, aby uzyskać dobrą wydajność i czysty produkt, przy jak najmniejszym nakładzie pracy. W literaturze może już istnieć metoda wytwarzania jednego z wczesnych syntetycznych produktów pośrednich i ta metoda będzie zwykle stosowana zamiast "próbować wynaleźć koło na nowo". Jednakże większość półproduktów to związki, które nigdy wcześniej nie zostały wytworzone. Będą one zazwyczaj wykonane przy użyciu ogólnych metod opracowanych przez badaczy metodologii. Aby być użytecznymi, metody te muszą dawać wysoką wydajność. Muszą one być również niezawodne dla szerokiego zakresu substratów. W przypadku zastosowań praktycznych, dodatkowe wymagania obejmują przemysłowe standardy bezpieczeństwa i czystości. Badania metodologiczne obejmują zwykle trzy główne etapy: odkrycie, optymalizację oraz badanie zakresu i ograniczeń. Odkrycie wymaga szerokiej wiedzy i doświadczenia w zakresie reaktywności chemicznych odpowiednich odczynników. Optymalizacja polega na testowaniu jednego lub dwóch związków wyjściowych w reakcji w różnych warunkach temperatury, rozpuszczalnika, czasu reakcji itp. Naukowcy próbują różnych warunków, aż znajdą najlepsze warunki dla wydajności i czystości produktu. Wreszcie, badacze próbują rozszerzyć metodę syntezy na szeroki zakres różnych materiałów wyjściowych, aby znaleźć jej zakres i ograniczenia. Syntezy całkowite (patrz wyżej) są czasami wykorzystywane do wyróżnienia nowej metody i zademonstrowania jej wartości w rzeczywistym zastosowaniu. Badania te są stosowane w głównych gałęziach przemysłu, zwłaszcza w polimerach (i tworzywach sztucznych) oraz w farmacji.

Większość złożonych produktów naturalnych jest chiralna. Każdy enancjomer może mieć inną aktywność biologiczną. Tradycyjne syntezy całkowite były ukierunkowane na mieszaniny racemiczne, tj. jako równą mieszaninę obu możliwych enancjomerów. Mieszanina racemiczna może być następnie rozdzielona za pomocą chiralnej rozdzielczości.

W drugiej połowie XX wieku chemicy zaczęli rozwijać metody asymetrycznej katalizy i kinetycznego rozwiązywania. Reakcje te można było ukierunkować tak, aby powstał tylko jeden enancjomer, a nie mieszanina racemiczna. Wczesnymi przykładami są epoksydacja Sharplessa (K. Barry Sharpless) i asymetryczne uwodornienie (William S. Knowles i Ryōji Noyori). Za swoje osiągnięcia pracownicy ci zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 2001 roku. Reakcje te dały chemikom znacznie szerszy wybór enancjomerycznie czystych cząsteczek do rozpoczęcia syntezy organicznej. Wcześniej można było stosować jedynie naturalne enancjomery materiałów wyjściowych. Wykorzystując techniki, których pionierem był Robert Burns Woodward oraz inne nowe metody syntetyczne, chemicy stali się bardziej zdolni do tworzenia złożonych cząsteczek bez niepożądanej racemizacji. Nazywa się to stereokontrolą. Umożliwiło to syntezę docelowej cząsteczki jako jednego czystego enancjomeru bez konieczności rozstrzygania. Techniki takie określa się mianem syntezy asymetrycznej.

Elias James Corey wprowadził bardziej formalne podejście do projektowania syntez, oparte na analizie retrosyntetycznej, za co w 1990 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. W tym podejściu, badania są planowane wstecz od produktu, przy użyciu standardowych reguł. Kroki pokazane są za pomocą strzałek retrosyntetycznych (rysowanych jako: =>), co w efekcie oznacza "powstaje z". Napisano programy komputerowe do projektowania syntezy w oparciu o sekwencje ogólnych "półreakcji".