Organische Synthese
Die organische Synthese ist ein spezieller Zweig der chemischen Synthese und befasst sich mit dem absichtlichen Aufbau organischer Verbindungen . [1] Organische Moleküle sind häufig komplexer als anorganische Verbindungen, und ihre Synthese hat sich zu einem der wichtigsten Zweige der organischen Chemie entwickelt . Im allgemeinen Bereich der organischen Synthese gibt es mehrere Forschungsschwerpunkte: Totalsynthese , Semisynthese und Methodik .
Totalsynthese
Eine Totalsynthese ist die vollständige chemische Synthese komplexer organischer Moleküle aus einfachen, im Handel erhältlichen petrochemischen oder natürlichen Vorläufern. [2] Die Totalsynthese kann entweder linear oder konvergent erfolgen. Bei einer linearen Synthese, die oft für einfache Strukturen geeignet ist, werden mehrere Schritte nacheinander ausgeführt, bis das Molekül vollständig ist. Die in jedem Schritt hergestellten chemischen Verbindungen werden als synthetische Zwischenprodukte bezeichnet. [2] In den meisten Fällen bezieht sich jeder Syntheseschritt auf eine separate Reaktion zur Modifizierung der Ausgangsverbindung. Für komplexere Moleküle kann ein konvergenter Syntheseansatz bevorzugt sein, der die individuelle Herstellung mehrerer "Stücke" (Schlüsselzwischenprodukte) umfasst, die dann kombiniert werden, um das gewünschte Produkt zu bilden. [ Bearbeiten ] konvergente Synthese hat den Vorteil eines höhere Ausbeute zu erzeugen, im Vergleich zu linearer Synthese.
Robert Burns Woodward , der 1965 den Nobelpreis für Chemie für mehrere Totalsynthesen erhielt [3] (z. B. seine Strychninsynthese von 1954 [4] ), gilt als Vater der modernen organischen Synthese. Einige Beispiele der letzten Tage sind Wender's , [5] Holton's , [6] Nicolaou's , [7] und Danishefsky's [8] Totalsynthesen des Krebstherapeutikums Paclitaxel (Handelsname Taxol ). [9]
Methodik und Anwendungen
Jeder Syntheseschritt beinhaltet eine chemische Reaktion , und Reagenzien und Bedingungen für jede dieser Reaktionen müssen so ausgelegt sein, dass mit möglichst wenigen Schritten eine ausreichende Ausbeute an reinem Produkt erhalten wird. [10] In der Literatur gibt es möglicherweise bereits eine Methode zur Herstellung eines der frühen synthetischen Zwischenprodukte, und diese Methode wird normalerweise eher verwendet als der Versuch, das Rad neu zu erfinden. Die meisten Zwischenprodukte sind jedoch Verbindungen, die noch nie zuvor hergestellt wurden, und diese werden normalerweise unter Verwendung allgemeiner Methoden hergestellt, die von Methodenforschern entwickelt wurden. Um nützlich zu sein, müssen diese Verfahren hohe Ausbeuten ergeben und für eine breite Palette von Substraten zuverlässig sein . Zusätzliche Hürden für praktische Anwendungen sind industrielle Sicherheits- und Reinheitsstandards. [11]
Die Methodenforschung umfasst normalerweise drei Hauptphasen: Entdeckung , Optimierung und Untersuchung des Umfangs und der Grenzen . Die Entdeckung erfordert umfassende Kenntnisse und Erfahrungen mit chemischen Reaktivitäten geeigneter Reagenzien. Die Optimierung ist ein Prozess, bei dem eine oder zwei Ausgangsverbindungen in der Reaktion unter einer Vielzahl von Bedingungen wie Temperatur , Lösungsmittel , Reaktionszeit usw. getestet werden , bis die optimalen Bedingungen für Produktausbeute und Reinheit gefunden sind. Schließlich versucht der Forscher, die Methode auf ein breites Spektrum verschiedener Ausgangsmaterialien auszudehnen, um den Umfang und die Grenzen zu ermitteln. Totalsynthesen (siehe oben) werden manchmal verwendet, um die neue Methodik vorzustellen und ihren Wert in einer realen Anwendung zu demonstrieren. [12] Solche Anwendungen betreffen wichtige Industrien, die sich insbesondere auf Polymere (und Kunststoffe) und Pharmazeutika konzentrieren. Einige Synthesen sind auf Forschungs- oder akademischer Ebene möglich, jedoch nicht für die Produktion auf Branchenebene. Dies kann zu einer weiteren Änderung des Prozesses führen. [13]
Stereoselektive Synthese
Die meisten komplexen Naturstoffe sind chiral [14] [15] und die Bioaktivität chiraler Moleküle variiert mit dem Enantiomer . [16] Historisch gesehen zielten Totalsynthesen auf racemische Gemische ab, Gemische beider möglicher Enantiomere , wonach das racemische Gemisch dann durch chirale Auflösung getrennt werden könnte .
In der späteren Hälfte des 20. Jahrhunderts begannen Chemiker, Methoden der stereoselektiven Katalyse und kinetischen Racematspaltung zu entwickeln, bei denen die Reaktionen so gesteuert werden konnten, dass nur ein Enantiomer anstelle eines racemischen Gemisches erzeugt wurde. Frühe Beispiele schließen stereoselektive Hydrierungen (zB wie durch berichtet William Knowles [17] und Ryoji Noyori , [18] und Modifikationen funktioneller Gruppen wie beispielsweise die asymmetrische Epoxidierung von Barry Sharpless ; [19] für diese spezifischen Leistungen wurden diese Arbeiter die ausgezeichnet Nobel Preis für Chemie im Jahr 2001. [20] Solche Reaktionen gab Chemikern eine viel größere Auswahl an enantiomerenreinen Molekülen aus zu starten, wo bisher nur natürliche Ausgangsmaterialien verwendet werden könnten. Unter Verwendung von Techniken Pionierarbeit von Robert B. Woodward und neuen Entwicklungen in der Synthesemethodik, Chemiker wurden einfacher in der Lage, einfache Moleküle ohne unerwünschte Racemisierung zu komplexeren Molekülen zu führen, indem sie die Stereokontrolle verstanden und die Synthese der endgültigen Zielmoleküle als reine Enantiomere (dh ohne Auflösungsbedarf) ermöglichten. Solche Techniken werden als stereoselektive Synthese bezeichnet .
Synthesedesign
Elias James Corey brachte einen formaleren Ansatz für das Synthesedesign auf der Grundlage der retrosynthetischen Analyse mit , für den er 1990 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Bei diesem Ansatz wird die Synthese vom Produkt aus nach Standardregeln rückwärts geplant. [21] Die Schritte "Zerlegen" der übergeordneten Struktur in erreichbare Bestandteile werden in einem grafischen Schema gezeigt, das retrosynthetische Pfeile verwendet (gezeichnet als ⇒, was tatsächlich bedeutet "wird aus").
In jüngerer Zeit [ wann? ] und weniger weit verbreitet, wurden Computerprogramme geschrieben, um eine Synthese zu entwerfen, die auf Sequenzen generischer "Halbreaktionen" basiert. [22]
Siehe auch
- Organische Synthesen (Zeitschrift)
- Methoden der organischen Synthese (Zeitschrift)
- Elektrosynthese
- Automatisierte Synthese
Verweise
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Weiterführende Literatur
- Corey EJ ; Cheng, XM (1995). Die Logik der chemischen Synthese . New York, NY: John Wiley & Sons . ISBN 978-0471115946.
Externe Links
- Das Archiv für organische Synthese
- Chemische Synthesedatenbank
- https://web.archive.org/web/20070927231356/http://www.webreactions.net/search.html
- https://www.organic-chemistry.org/synthesis/
- Prof. Hans Reich Sammlung Naturprodukt Synthesen
- Semantisches Wiki zur chemischen Synthese