Organisk syntese

Samlet syntese

En totalsyntese er den komplette kemiske syntese af komplekse organiske molekyler fra enkle, kommercielt tilgængelige (petrokemiske) eller naturlige prækursorer. I en lineær syntese - som ofte anvendes til enkle strukturer - udføres flere trin efter hinanden, indtil molekylet er færdigt. De kemiske forbindelser, der fremstilles i hvert trin, kaldes normalt syntetiske mellemprodukter. For mere komplekse molekyler kan en anden fremgangsmåde være at foretrække: konvergent syntese indebærer individuel fremstilling af flere "dele" (centrale mellemprodukter), som derefter kombineres for at danne det færdige produkt.

Robert Burns Woodward, der modtog Nobelprisen i kemi i 1965 for adskillige totalsynteser (f.eks. hans syntese af stryknin i 1954), betragtes som faderen til den moderne organiske syntese. Nogle af de senere års eksempler på totalsynteser omfatter Wender's, Holton's, Nicolaou's og Danishefsky's syntese af taxol.

Metodologi og anvendelser

Hvert trin i en syntese indebærer en kemisk reaktion, og reagenser og betingelser for hver af disse reaktioner skal udformes således, at der opnås et godt udbytte og et rent produkt med så lidt arbejde som muligt. Der findes måske allerede en metode i litteraturen til fremstilling af et af de første syntetiske mellemprodukter, og denne metode vil normalt blive anvendt i stedet for at "prøve at genopfinde hjulet". De fleste mellemprodukter er imidlertid forbindelser, som aldrig er blevet fremstillet før. De vil normalt blive fremstillet ved hjælp af generelle metoder, der er udviklet af metodologiske forskere. For at være nyttige skal disse metoder give et højt udbytte. De skal også være pålidelige for en bred vifte af substrater. For praktiske anvendelser er der yderligere krav om industrielle sikkerheds- og renhedsstandarder. Metodeforskning omfatter normalt tre hovedfaser: opdagelse, optimering og undersøgelser af anvendelsesområde og begrænsninger. Opdagelsen kræver omfattende viden om og erfaring med de relevante reagensers kemiske reaktivitet. Ved optimering afprøves en eller to udgangsforbindelser i reaktionen under en lang række forskellige betingelser med hensyn til temperatur, opløsningsmiddel, reaktionstid osv. Forskerne afprøver forskellige betingelser, indtil de finder de bedste betingelser for produktudbytte og renhed. Endelig forsøger forskerne at udvide syntesemetoden til en bred vifte af forskellige udgangsmaterialer for at finde dens anvendelsesområde og begrænsninger. Totalsyntese (se ovenfor) anvendes undertiden til at fremhæve den nye metode og demonstrere dens værdi i en virkelig anvendelse. Store industrier, der især fokuserer på polymerer (og plast) og lægemidler, har anvendt denne forskning.

Asymmetrisk syntese

De fleste komplekse naturprodukter er chirale. Hver enantiomer kan have en forskellig bioaktivitet. Traditionelle totalsynteser var rettet mod racemiske blandinger, dvs. en lige stor blanding af begge mulige enantiomerer. Den racemiske blanding kan derefter adskilles ved hjælp af chiral opløsning.

I sidste halvdel af det 20. århundrede begyndte kemikere at udvikle metoder til asymmetrisk katalyse og kinetisk opløsning. Disse reaktioner kunne styres til kun at producere én enantiomer i stedet for en racemisk blanding. Blandt de tidlige eksempler kan nævnes Sharpless epoxidering (K. Barry Sharpless) og asymmetrisk hydrogenering (William S. Knowles og Ryōji Noyori). For deres resultater fik disse medarbejdere i 2001 sammen Nobelprisen i kemi. Sådanne reaktioner gav kemikerne et langt større udvalg af enantiomerisk rene molekyler til at starte en organisk syntese. Tidligere kunne der kun anvendes naturlige enantiomerudgangsmaterialer. Ved hjælp af de teknikker, som Robert Burns Woodward var banebrydende for, og andre nye syntetiske metoder blev kemikerne bedre i stand til at fremstille komplekse molekyler uden uønsket racemisering. Dette kaldes stereokontrol. Dette gjorde det muligt at syntetisere det endelige målmolekyle som én ren enantiomer uden at det var nødvendigt at foretage nogen opløsning. Sådanne teknikker betegnes asymmetrisk syntese.

Design af syntese

Elias James Corey introducerede en mere formel tilgang til syntesedesign baseret på retrosyntetisk analyse, som han vandt Nobelprisen i kemi for i 1990. I denne tilgang planlægges forskningen baglæns fra produktet ved hjælp af standardregler. Trinene vises ved hjælp af retrosyntetiske pile (tegnet som: =>), hvilket i praksis betyder "er lavet af". Der er blevet skrevet computerprogrammer til udformning af en syntese baseret på sekvenser af generiske "halvreaktioner".