Kas ir ķīmiskā sintēze — definīcija, metodes un piemēri

Ķīmijā ķīmiskā sintēze nozīmē ķīmisku reakciju izmantošanu, lai iegūtu produktu vai vairākus produktus. Tas notiek, izmantojot fizikālas un ķīmiskas manipulācijas. Bieži tiek izmantotas vairākas dažādas ķīmiskās reakcijas; viena pēc otras. Mūsdienu laboratorijas lietojumā ķīmiskā sintēze ir reproducējama (ja eksperimentu veic otrreiz, rezultāti būs tādi paši kā pirmajā reizē), uzticama (to neizjauc nelielas apstākļu izmaiņas) un izveidota darbam vairākās laboratorijās.

Ķīmiķi sāk izstrādāt ķīmisko sintēzi, izvēloties savienojumus, kurus apvienot. Šīs izejvielas sauc par reaģentiem jeb reaģentiem. Ķīmiķi ar šiem reaģentiem veic dažādas darbības, lai sintezētu produktu vai starpproduktu. Lai to paveiktu, savienojumi jāsajauc reakcijas traukā. Trauks var būt ķīmisks reaktors vai vienkārša kolba. Daudzām reakcijām pirms galaprodukta izdalīšanas ir nepieciešama kāda veida apstrādes procedūra.

Ķīmiskās sintēzes produkta daudzums ir reakcijas iznākums. Parasti ķīmiskās sintēzes iznākumu izsaka gramos vai procentos no kopējā teorētiski iegūstamā produkta daudzuma. Blakusreakcija ir nevēlama ķīmiska reakcija, kas samazina vēlamā produkta iznākumu.

Ķīmiķis Ādolfs Vilhelms Hermanis Kolbe bija pirmais, kurš lietoja vārdu sintēze tā pašreizējā nozīmē.

Galvenās sintēzes metodes un reakciju tipi

• Substitūcijas reakcijas – viens atoms vai grupējums tiek aizvietots ar citu (piem., aromātiskās vai alifātiskās substitūcijas).
• Pievienošana un eliminācija – pievienošanās pie dubultās saites vai grupu atdalīšana (piem., hidrohalogenēšana, dehidratācija).
• Oxidēšanās-reducēšanās (redoks) reakcijas – elektronu pārneses reakcijas, bieži izmantojot oksidētājus vai reducētājus.
• Kondensācijas un polimerizācijas – molekulu savienošanās, izdalot mazas molekulas (piem., ūdeni) vai veidojot garus ķēžu polimērus.
• Katalītiskā sintēze – reakcijas paātrināšana ar katalizatoriem (homogēniem vai heterogēniem), kas būtiski uzlabo selektivitāti un ekonomiku.

Sintēzes plānošana un retrosintēze

Sintēzes izstrāde parasti sākas ar mērķa molekulas analīzi un retrosintēzes — soļu plānošanu, kur katru saikni domā izgremdēt atpakaļ līdz vienkāršākām, pieejamām izejvielām. Retrosintēze palīdz noteikt, kur lietot aizsarggrupas, kādas reakcijas būs selektīvas, un kur nepieciešams enantioselektīvs kontrolējums (ja ir ķirālās centra stereokīmija).

Laboratorijas prasības un parastās procedūras

• Apstākļu kontrole: temperatūra, spiediens, atmosfēra (inertā gāze kā argons vai slāpeklis) un reakcijas laiks būtiski ietekmē rezultātu.
• Solventi un šķīdinātāji: to izvēle ietekmē reaģentu šķīdību, reakcijas ātrumu un drošību.
• Aizsarggrupas: ķīmiskie grupējumi, kurus pagaidām “paslēpj”, lai novērstu nevēlamas blakusreakcijas, pēc tam noņem.
• Apstrāde un tīrīšana: filtrācija, šķīdinātāju migrācija, destilācija, rekristalizācija un hromatogrāfija tiek izmantotas produkta attīrīšanai.

Iznākums, selektivitāte un blakusprodukti

Tipiskie termini: teorētiskais iznākums (ja viss reaģents pārvēršas produktā), faktiskais iznākums (reāli iegūtais produkts) un procentuālais iznākums, kas tiek aprēķināts kā (faktiskais / teorētiskais) × 100%. Bieži svarīga ir arī selektivitāte — cik liela daļa no reaģējošo molekulu pārvēršas tieši vēlamajā produktā. Blakusprodukti ne tikai samazina iznākumu, bet var prasīt vērtīgus apstrādes soļus un radīt atkritumus.

Piemēri praksē

• Acetilsalicilskābes (aspirīna) sintēze: parasti tiek ražota, esterificējot salicilskābi ar acetanhidrīdu vai acetilhlorīdu, bieži ar skābes katalizatoru; produkts tiek attīrīts ar rekristalizāciju.
• Paracetamola sintēze: sākot no p-aminofenola, veicot acilēšanu, pēc tam attīrot un nosusinot gala produkta krīštālus.
• Farmaceitiskās vielas bieži tiek sintezētas vairākos soļos, iekļaujot stereokontrolētu reakciju izvēli un rūpīgu tīrīšanu, lai nodrošinātu drošumu un efektivitāti.

Rūpnieciskā sintēze un mērogošana

Rūpnieciskā sintēze prasa optimizēt izmaksas, drošību un vides ietekmi. Izmanto pašreizējo ražošanas praksi kā partiju reaktorus vai kontinuālās plūsmas reaktorus, atkarībā no reakcijas rakstura. Liela nozīme ir katalizatoriem, enerģijas patēriņa samazināšanai un ķīmisko atkritumu minimizēšanai.

Zaļā ķīmija un drošība

Mūsdienu sintēzes projektēšanā svarīgi principi ir atomu ekonomika (cik daudz izejvielu masa nonāk gala produktā), bīstamu šķīdinātāju aizstāšana ar drošākiem, reaģentu pārstrāde un emisiju samazināšana. Drošība ietver pareizu indikatīvo vielu apstrādi, ventilāciju, ugunsdrošību un atkritumu apsaimniekošanu.

Vēsturisks konteksts

Vārda sintēze izmantošana ķīmijā nāk no 19. gadsimta. Ķīmiķis Ādolfs Vilhelms Hermanis Kolbe (1818–1884) bija viens no pirmajiem, kurš lietoja šo terminu mūsdienīgā nozīmē, attiecinot to uz organisko savienojumu mākslīgu iegūšanu no vienkāršākām vielām. No tā brīža sintēze attīstījās par atsevišķu nozari ar plašu pielietojumu farmācijā, materiālzinātnē un ķīmiskajā rūpniecībā.

Īss kopsavilkums

Ķīmiskā sintēze ir mērķtiecīgs process, kura laikā, izmantojot atbilstošas reakcijas un darba procedūras, no izejvielām iegūst vēlamo produktu. Procesā svarīgi ir reakcijas plānošana, apstākļu kontrole, tīrīšana, iznākuma optimizācija, drošība un vides apsvērumi. Ar pareizu plānošanu un izpildi sintēze ļauj radīt ļoti sarežģītas molekulas, kas ir fundamentālas mūsdienu medicīnai, materiālu izstrādei un ķīmiskajai tehnoloģijai.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir ķīmiskā sintēze?

J: Kas ir reaģenti jeb reaģenti?

J: Ko ķīmiķi dara ar reaģentiem?

J: Kāda veida traukus izmanto šīm reakcijām?

J: Kā ķīmiskajā sintēzē mēra produkta daudzumu?

J: Kas ir blakusreakcija?

J: Kurš pirmais lietoja vārdu "sintēze" tā pašreizējā nozīmē?

Meklēt pēc burta