Cheminė sintezė: kas tai, metodai ir išeiga

Chemijoje cheminė sintezė — tai sistemingas cheminių reakcijų naudojimas vienam arba keliems produktams gauti. Procesas apima fizines ir chemines manipuliacijas, reagentų paruošimą, reakcijų vykdymą ir galutinio produkto atskyrimą bei išvalymą. Dažnai sintetinėje schemaje taikomos kelios reakcijos paeiliui; tokia daugiaetapė sintezė leidžia nuo paprastų pradinės medžiagos molekulių pereiti prie sudėtingų tikslinių junginių. Moderni laboratorinė sintezė siekiama būti atkuriama (kartojant eksperimentą gauti tas pačias sąlygas ir rezultatą), patikima (nedidelių sąlygų svyravimų nekeičiant rezultato) ir perdėliotinai vykdoma skirtingose laboratorijose.

Chemikai planuoja sintezę pradėdami nuo pradinės medžiagų atrankos — pasirenkami junginiai, kuriuos reikia sujungti. Šios pradinės cheminės medžiagos vadinamos reagentais arba reagentais. Reagento kiekiai, moliniai santykiai (stoichiometrija) ir reakcijos sąlygos (temperatūra, tirpiklis, katalizatorius, atmosfera) yra nustatomi taip, kad maksimaliai padidintų pageidaujamo produkto išeigą ir selektyvumą. Reakcijos atliekamos reakcijos inde — tai gali būti specialus cheminis reaktorius, kolba arba pramoninis reaktorius. Kai kurios reakcijos reikalauja specifinių procedūrų prieš produktui atskiriant ir išgryninant: neutralizavimo, ekstrakcijos, džiovinimo, filtravimo, garinimo ar chromatografijos.

Metodai ir planavimas

Sintezės planavimas dažnai prasideda nuo retrosintezės analizės — tikslinio junginio „išardymo“ į paprastesnes dalis, kurias galima gauti komerciškai arba patogiai pagaminti. Populiarios strategijos ir technikos:

• Reakcijų tipai: nukleofilinės atmainos, elektrofiliškos reakcijos, oksidacijos ir redukcijos, periciklinės reakcijos, radikalinės ir katalitinės reakcijos (pvz., pereiti metalais katalizuojamos jungčių formavimo reakcijos).
• Organinės sintezės metodai: kryžminės sujungimo reakcijos (Suzuki, Heck, Sonogashira), esterifikacijos, amidacijos, alkilinimo/alkilinimo reakcijos ir kt.
• Katalizė: homogeniška ir heterogeniška katalizė, enantioselekyvi katalizė (chiraliniai katalizatoriai) siekiant kontroliuoti stereochemiją.
• Apsauginiai grupavimai: apsaugoti reaguojančias funkcines grupes (protection/deprotection), kad reakcijos vyktų selektyviai.
• Specifinės technikos: šildymas su grįžtamu kondensatoriumi (reflux), reakcijos inertinėje atmosferoje (argon, dujos), fotochemija, elektrinė sintezė, „flow chemistry“ (srautinės sintezės) skalavimui ir saugumo privalumams.

Analizė ir identifikacija

Reakcijos eigos ir produktų identifikacijai naudojamos analitinės metodikos: NMR spektroskopija, IR, MS (masių spektrometrija), GC/GC-MS, HPLC. Šios technikos leidžia nustatyti produkto struktūrą, grynumą, taip pat atpažinti šalutinius produktus ir neišreaguotus reagentus.

Išeiga ir jos skaičiavimas

Cheminės sintezės produkto kiekis vadinamas reakcijos išeiga. Dažniausiai išeiga išreiškiama masės vienetais (gramų) arba procentais nuo teorinio (maksimaliai galimo) produkto kiekio. Bazinė procentinės išeigos formulė:

• Procentinė išeiga = (faktinė išeiga / teorinė išeiga) × 100%

Teorinė išeiga apskaičiuojama remiantis ribojančiu reagentu — tuo reagentu, kurio nepakanka visai reagentų rinkiniai reaguoti pagal stechiometriją. Reikia atskirti:

• Krudaus produkto išeiga — kiek produkto gauta po reakcijos be išsamaus išvalymo.
• Išgryninto (izoliuoto) produkto išeiga — kiek produkto lieka po valymo procedūrų (reikšmingesnė praktinė išeiga).

Multižingsnės sintezės bendroji išeiga gaunama dauginant kiekvieno žingsnio išeigas; todėl net vidutinė kiekvieno žingsnio išeiga gali lemti mažą galutinę išeigą. Dėl to sintezės optimizavimas, žingsnių skaičiaus mažinimas ir veiksmingų valymo metodų pasirinkimas yra itin svarbūs.

Šalutinė reakcija — tai nepageidaujami reakcijos keliai, kurie mažina norimo produkto išeigą arba sukuria nepageidaujamų priemaišų. Tam, kad sumažintų šalutinių reakcijų poveikį, chemikai reguliuoja sąlygas (temperatūrą, tirpiklį, reagentų stoichiometriją), taiko inhibitorius, apsauginius grupavimus arba specialius katalizatorius.

Valymo metodai

Po reakcijos produktai paprastai išskiriami ir išvalomi naudojant:

• ekstrakciją (skirtumų tirpikliuose panaudojimas),
• rekristalizaciją (gryninimas kristalizuojant),
• destiliaciją (skirtingų virimo taškų atskyrimui),
• slopinimą ir aktyviosios fazės chromatografiją (silica gel, florisil, HPLC) – tai ypač svarbu, kai reikia atskirti panašius junginius.

Optimizacija, tvari chemija ir perkeliamumas

Sintetinės procedūros optimizavimas apima reakcijos sąlygų sisteminį keitimą ir parametrų analizę — laikas, temperatūra, tirpiklis, katalizatorius, reagentų santykiai. Šiuolaikinėse sintezėse taip pat svarbios tvarumo metrikos: atominė ekonomika (atom economy), E‑faktorius (sureriamo atliekų kiekis) ir saugumo bei energetinio efektyvumo aspektai. Perkeliamumas (reproducibility) į kitą laboratoriją arba pramoninę aplinką reikalauja išsamios procedūros aprašymo ir bandymų skalei padidinti.

Saugumas ir dokumentacija

Cheminės sintezės vykdymas reikalauja griežtos saugos aprangos, tinkamos ventiliacijos, atliekų tvarkymo ir rizikos vertinimo. Kiekvienas reagento ir produkto saugos duomenų lapas (SDS) turi būti peržiūrėtas prieš darbą. Visus eksperimentus būtina dokumentuoti laboratoriniuose žurnaluose, įtraukiant naudojamus kiekius, sąlygas, stebėjimus ir galutinius rezultatus, kad sintezė būtų atkuriama ir vertinama kitiems tyrėjams.

Chemikas Adolfas Vilhelmas Hermanas Kolbė pirmasis panaudojo žodį "sintezė" dabartine prasme. Kolbė (XIX a.) prisidėjo prie organinės cheminės sintezės metodų plėtros ir klasikinių transformacijų suvokimo, kas padėjo vėlesnei sintezės disciplinos raidai.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra cheminė sintezė?

K: Kas yra reagentai arba reagentai?

K: Ką chemikai daro su reagentais?

K: Kokio tipo indas naudojamas šioms reakcijoms?

K: Kaip matuojamas produkto kiekis cheminės sintezės metu?

K: Kas yra šalutinė reakcija?

K: Kas pirmasis pavartojo žodį "sintezė" dabartine prasme?

Paieška pagal raidę