Keemiline süntees – definitsioon, meetodid, reaktsioonid ja saagis

Keemias tähendab keemiline süntees keemiliste reaktsioonide kasutamist toote või mitme toote saamiseks. See toimub füüsikaliste ja keemiliste manipulatsioonide abil. Sageli kasutatakse mitmeid erinevaid keemilisi reaktsioone, üks teise järel. Kaasaegses laboratoorses kasutuses on keemiline süntees reprodutseeritav (kui katse tehakse teist korda, siis on tulemused samad kui esimesel korral), usaldusväärne (ei riku väikeste tingimuste muutuste tõttu) ja on loodud töötama mitmes laboratooriumis.

Planeerimine: reaktsioonid, reagendid ja laboritehnika

Keemikud alustavad keemilise sünteesi kavandamist ühendite valimisega, mida kombineerida. Neid lähtekemikaale nimetatakse reaktiivideks või reaktantideks. Planeerimisel hinnatakse reaktiivsust, valikulisust, ohutust, maksumust ja ligipääsetavust. Sünteesi kavandamisel kasutatakse sageli retrosünteesi — eesmärgi molekuli „lahtikeeramist“ lihtsamateks lähteühenditeks kuni leitakse otstarbekas sünteesiteekond.

Keemikud teevad nende reagentidega mitmesuguseid asju, et sünteesida toode ehk vahesaadus. Selleks tuleb ühendid reaktsioonianumas segada. See anum võib olla keemiline reaktor või lihtne kolb. Valik sõltub reaktsiooni skaalast ja tingimustest (temperatuur, rõhk, inertne keskkond jms). Paljud reaktsioonid nõuavad enne lõpptoote isoleerimist mingisugust töötlusprotseduuri — näiteks ekstraheerimist, destilleerimist, kristallimist või kromatograafiat.

Reaktsioonitüübid ja meetodid

Keemilises sünteesis kasutatakse väga erinevaid reaktsioone. Peamised klassid ja tehnikad on:

• Asendamisreaktsioonid (nukleofiilne, elektrofiilne) — sageli orgaanilises keemias molekuli funktsionaalrühmade muutmiseks.
• Liitreaktsioonid — kaks või enam molekuli liituvad, nt alkeenide liitumised.
• Eliminerimisreaktsioonid — funktsionaalrühmade eemaldamine, et moodustada piirde- või aromaatsüsteeme.
• Redoks-reaktsioonid — oksüdatsiooni või reduktsiooni abil muutuvad aatomite oksüdatsiooniastmed.
• Metallkatalüüsitud reaktsioonid — palladiumi-, nikkeli- või muude metallide kasutamine kovalentsete sidemete moodustamiseks (nt Suzuki-, Heck- ja Buchwald–Hartwig-reaktsioonid).
• Enzymaatiline ja biokatalüütiline süntees — bioloogiliste katalüsaatorite kasutamine spetsiifiliseks ja keskkonnasõbralikuks sünteesiks.
• Polümerisatsioon — monomeeride liitmine polümeerideks (plastide, elastomeeride tootmine).

Mitmeastmeline süntees ja retrosüntees

Paljude keeruliste molekulide tootmiseks on vaja mitmeastmelist sünteesi, kus üks reaktsioonijärjestus järgneb teisele. Iga astme juures tuleb hinnata intermediatiivseid puhastusi, kaitserühmade kasutamist (funktsionaalrühmade kaitsmine ja hilisem eemaldamine) ning üldist atomitaluvust ja atoomiökonomiat.

Saagis, kõrvalreaktsioonid ja puhtus

Toote kogus keemilise sünteesi käigus on reaktsiooni saagis. Tavaliselt väljendatakse keemilist saagist grammides või protsendina saadava toote teoreetilisest üldkogusest. Saagist mõjutavad reagendi puhtus, reaktsiooni kestus, temperatuur, lahusti, katalüsaator ja kõrvalreaktsioonid.

Kõrvalreaktsioon on toimuv soovimatu keemiline reaktsioon, mis vähendab soovitud toote saagist. Lisaks saagisele on tähtis lõpp-produkti puhtus — sageli on vaja lisapuhastusi nagu kromatograafia, kristallimine või distilleerimine.

Reprodutseeritavus, standardimine ja kvaliteet

Kaasaegne süntees peab olema reprodutseeritav ja standardiseeritud. Laboriprotseduurides dokumenteeritakse täpselt tingimused (kontsentratsioonid, temperatuurid, aeg, segamine), et teised teadlased saaksid tulemusi korrata. Tööstusliku tootmise puhul lisandub protsessitehniline optimeerimine, et tagada stabiilsus, ohutus ja majanduslik jätkusuutlikkus.

Ohutus ja keskkond

Keemiline süntees võib hõlmata ohtlikke aineid, kõrgeid temperatuure, rõhku või mürgiseid kõrvalsaadusi. Seetõttu rakendatakse ohutusprotokolle, isikukaitset ja sobivaid jäätmekäitluse meetodeid. Tänapäeval on oluline ka roheline keemia — protsesside optimeerimine minimaalse keskkonnamõjuga, lahustite säästlik kasutamine, katalüsaatorite eelistamine ja madalama toksilisusega reagendid.

Karakteriseerimine ja analüüs

Pärast sünteesi iseloomustatakse toodet mitme meetodiga: NMR-, IR- ja massispektromeetria, elementanalüüs, kõrgsurvevedelikkromatograafia (HPLC) ja teiste meetodite abil kontrollitakse struktuuri ja puhtust. Need analüüsid kinnitavad, et saadud aine vastab ootustele ja ei sisalda soovimatuid kõrvalprodukte.

Tööstuslikud aspektid ja skaala

Tööstuslikul tasandil tuleb arvestada kulude, ohutuse, reaktsiooniose ja jäätmetega. Mõnikord tuleb laboritingimustes toimiv süntees ümber töötada suuremahulise reaktori jaoks: optimeerida soojusülekannet, segamist ja materjalide valikut. Skaalaliftis hinnatakse ka jätkusuutlikkust ja regulatiivseid nõudeid.

Näited ja ajalooline kontekst

Keemilisi sünteese kasutatakse laialdaselt farmaatsiatööstuses (aktiivsete toimeainete tootmine), agrokeemias, materjaliteaduses (polümeerid, nanomaterjalid) ja orgaanilises sünteesis uute molekulide loomiseks. Keemik Adolph Wilhelm Hermann Kolbe oli esimene, kes kasutas sõna süntees selle tänapäevases tähenduses. Tema töö 19. sajandil aitas kujundada orgaanilise keemia meetodeid, mis on täna veelgi täiustatud ja laialdaselt rakendatavad.

Küsimused ja vastused

K: Mis on keemiline süntees?

K: Mis on reaktiivid või reaktandid?

K: Mida teevad keemikud reaktiividega?

K: Millist tüüpi anumat kasutatakse nende reaktsioonide läbiviimiseks?

K: Kuidas mõõdetakse toote kogust keemilise sünteesi käigus?

K: Mis on kõrvalreaktsioon?

K: Kes kasutas esimesena sõna "süntees" selle tänapäevases tähenduses?

Otsing