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.