Kemisk syntese: Definition, reagenser, reaktioner og udbytte
Kemisk syntese: Lær om reagenser, reaktionstyper, arbejdsmetoder og beregning af udbytte — praktiske tips til reproducerbar og effektiv laboratoriesynthese.
I kemi betyder kemisk syntese, at man ved hjælp af kemiske reaktioner får et produkt eller flere produkter. Dette sker ved hjælp af fysiske og kemiske manipulationer. Ofte anvendes flere forskellige kemiske reaktioner, den ene efter den anden. I moderne laboratoriebrug er en kemisk syntese reproducerbar (hvis forsøget udføres en anden gang, vil det give de samme resultater som første gang), pålidelig (ikke ødelagt af små ændringer i betingelserne) og etableret til at fungere i flere laboratorier.
Planlægning og design
Kemikere begynder at designe en syntese ved at udvælge forbindelser, der skal kombineres, og ved at planlægge en rækkefølge af reaktioner, som leder fra tilgængelige startmaterialer til det ønskede produkt. Denne proces kaldes ofte retrosyntese, hvor man arbejder baglæns fra produktet for at finde egnede mellemprodukter og reaktionstrin. Valget af reaktionsvej afhænger af tilgængeligheden af reagenser, ønsket selektivitet, omkostninger og sikkerhed.
Reagenser og reaktanter
De startkemikalier, man bruger, kaldes reagenser eller reaktanter. Reagenser kan være enkle, som syrer eller baser, eller komplekse organiske forbindelser. Ofte bruges hjælpestoffer som opløsningsmidler, katalysatorer, tørringsmidler og additiver, som påvirker reaktionshastighed og selektivitet. Stoikiometri spiller en vigtig rolle: man beregner molforhold for at finde den begrænsende reagent (den der løber tør først) og dermed det maksimale teoretiske udbytte.
Reaktionsbetingelser
Reaktioner foregår i en reaktionsbeholder, det kan være en kemisk reaktor eller en simpel kolbe. Vigtige betingelser er temperatur, tryk, opløsningsmiddel, reaktionstid og atmosfære (fx inert gas som nitrogen eller argon). Katalysatorer (metalliske eller organiske) kan sænke aktiveringsenergien og øge hastigheden eller selektiviteten. Nogle reaktioner kræver specielle teknikker som additionsdrop, omrøring under køling, eller fotokemisk/elektrokemisk aktivering.
Arbejdsgang: reaktion, arbejde-op og oprensning
Mange synteser består af flere trin: selve reaktionen, efterbehandling (work-up) for at stoppe reaktionen og fjerne uønskede stoffer, og oprensning af produktet. Work-up kan omfatte neutralisering, ekstraktion, tørring og filtrering. Oprensningsmetoder omfatter kromatografi, fraktioneret destillation, genkrystallisation og andre teknikker. Til sidst karakteriseres det rene produkt ofte ved NMR, IR, MS og bestemmelse af smeltepunkt eller andre fysiske data for at bekræfte struktur og renhed.
Reaktionsudbytte og bivirkninger
Mængden af produkt i en kemisk syntese er reaktionsudbyttet. Typisk udtrykkes det som vægt i gram eller som en procentdel af den samlede teoretiske mængde produkt, der kan fremstilles. Procentudbyttet (procentvis udbytte) beregnes som:
procentudbytte = (faktisk udbytte / teoretisk udbytte) × 100%
Eksempel: hvis det teoretiske udbytte er 10 g og det isolerede faktiske udbytte er 7,5 g, så er procentudbyttet 75%.
En bivirkning er en uønsket kemisk reaktion, der finder sted og reducerer udbyttet af det ønskede produkt. Andre faktorer, der påvirker udbyttet, er reaktionsselektivitet, tab under oprensning, degradering af reagenser og måleusikkerhed. Begreber som atomøkonomi og proceseffektivitet bruges i moderne kemi for at vurdere, hvor meget af reagensmasserne der ender i det ønskede produkt, og hvor meget der bliver affald.
Sikkerhed, reproducerbarhed og skala
Sikkerhed er central: mange reaktioner involverer farlige stoffer, høje temperaturer eller tryk, så korrekt værnemidler og procedurer er nødvendige. Reproducerbarhed betyder, at en syntese kan gentages med samme resultat under samme betingelser — dokumentation af nøjagtige betingelser (koncentrationer, temperaturer, tider) er derfor vigtig. Ved opskalering (fremstilling i større mængder) kan forhold som varmeafledning, omrøring og massetransport ændre sig, så en syntese, der virker i en lille kolbe, kræver ofte optimering til industriel skala.
Optimere og grøn kemi
Kemikere arbejder ofte på at optimere trin i en syntese for at forbedre udbytte, mindske bivirkninger og reducere omkostninger. Principper fra grøn kemi indbefatter at bruge mindre giftige opløsningsmidler, maksimere atomøkonomi, minimere affald og energi og vælge katalytiske frem for støkiometriske metoder, når det er muligt.
Historisk note
Kemikeren Adolph Wilhelm Hermann Kolbe var den første, der brugte ordet syntese i sin nuværende betydning. Siden Kolbes tid er felter som organisk syntese, medicinalkemi og materialekemi vokset meget, og moderne syntese kombinerer teoretisk planlægning, eksperimentel teknik og instrumentel analyse for at fremstille og dokumentere nye forbindelser.
Strategier
I de fleste tilfælde vil en enkelt reaktion ikke omdanne en reaktant (startkemikalie) til det ønskede reaktionsprodukt. Kemikere har mange strategier til at finde den bedste sekvens af reaktioner til at fremstille det ønskede produkt. I kaskadereaktioner finder der flere kemiske ændringer sted i en enkelt reaktant. I flerkomponentreaktioner danner op til 11 forskellige reaktanter et enkelt reaktionsprodukt. I en teleskopsyntese gennemgår én reaktant flere omdannelser uden at isolere mellemprodukter efter hvert trin.
Organisk syntese
Organisk syntese er en særlig type kemisk syntese. Ved organisk syntese skabes der kun organiske forbindelser. Den samlede syntese af et komplekst produkt kan tage mange trin for at nå frem til det færdige produkt. Disse trin kan tage for lang tid. Kemikere ønsker at have færdigheder i organisk syntese og være i stand til at finde en syntesesvej med det mindste antal trin. Syntesen af meget værdifulde eller vanskelige forbindelser har givet kemikere som f.eks. Robert Burns Woodward Nobelprisen i kemi.
Hvis en kemisk syntese tager udgangspunkt i grundlæggende laboratorieforbindelser og giver noget nyt, er der tale om en "rent syntetisk proces". Hvis den tager udgangspunkt i et produkt, der er isoleret fra planter eller dyr, og derefter fører til nye forbindelser, kaldes syntesen en "semisyntetisk proces".
Andre betydninger
Oftest betyder kemisk syntese den samlede procedure i mange trin til fremstilling af et ønsket produkt. Nogle gange bruger kemikere "kemisk syntese" til blot at betegne en direkte kombinationsreaktion. Ved en direkte kombinationsreaktion kombineres to eller flere reaktanter for at danne et enkelt produkt. Den kemiske ligning for en direkte kombinationsreaktion er:
A + B → AB
hvor A og B er grundstoffer eller forbindelser, og AB er en forbindelse bestående af A og B. Eksempler på kombinationsreaktioner omfatter:
2Na + Cl2 → 2 NaCl (dannelse af bordsalt)
S + O2 → SO2 (dannelse af svovldioxid)
4 Fe + 3 O2 → 2 Fe 2O3 (rustdannelse af jern)
CO2 + H2O → H 2CO3 (kuldioxid opløses og reagerer med vand og danner kulsyre)
Der findes fire særlige regler for syntese:
metal-oxid + H2 O → metal(OH)
ikke-metal-oxid + H2O → oxysyre
metalchlorid + O2metalchlorat
metaloxid + CO2 → metalkarbonat (CO3)
Relaterede sider
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er kemisk syntese?
A: Kemisk syntese er en proces, hvor man ved hjælp af kemiske reaktioner fremstiller et produkt eller flere produkter.
Spørgsmål: Hvad er reagenser eller reaktanter?
A: Reagenser eller reaktanter er de udgangsmaterialer, der anvendes i en kemisk syntese.
Sp: Hvad gør kemikere med reagenserne?
A: Kemikere manipulerer og blander reagenserne for at fremstille det ønskede produkt eller et mellemprodukt.
Spørgsmål: Hvilken type beholder anvendes til disse reaktioner?
Svar: Det beholder, der anvendes til disse reaktioner, kan enten være en kemisk reaktor eller en simpel kolbe.
Spørgsmål: Hvordan måles mængden af produkt i en kemisk syntese?
Svar: Mængden af produkt, der produceres i en kemisk syntese, måles typisk enten som vægt i gram eller som en procentdel af den samlede teoretiske mængde, der kan produceres.
Spørgsmål: Hvad er en bivirkningsreaktion?
A: En bivirkningsreaktion er en uønsket kemisk reaktion, der finder sted, og som reducerer udbyttet af det ønskede produkt.
Spørgsmål: Hvem brugte først ordet "syntese" i sin nuværende betydning?
A: Kemikeren Adolph Wilhelm Hermann Kolbe var den første person, der brugte ordet "syntese" i sin nuværende betydning.
Søge