Kemijska sinteza: definicija, postopki, reagenti in izkoristek
V kemiji kemijska sinteza pomeni načrtno uporabo kemijskih reakcij za pridobitev enega ali več izdelkov. To vključuje kombinacijo fizikalnih in kemičnih manipulacij, kot so mešanje reagentov, spreminjanje temperature ali tlaka in uporaba katalizatorjev. Pogosto je za želeni produkt potrebnih več zaporednih reakcij, pri čemer vsaka poteče po svojih kinetičnih in termodinamskih načelih. V sodobni laboratorijski rabi so sinteze zasnovane tako, da so ponovljive (če poskus izvedemo drugič, bodo rezultati enaki kot prvič), zanesljive (majhne spremembe pogojev jih ne prekinejo) in prenosljive med različnimi laboratoriji.
Kemiki načrtujejo sintezo tako, da izberejo ustrezne spojine za združevanje. Te začetne kemikalije imenujemo reagenti ali reaktanti; v praksi razmišljamo tudi o katalizatorjih (ki pospešijo reakcijo in se sami ne porabijo), topilih, temperaturi, tlaku in času reakcije. Reagente običajno kombiniramo v reakcijski posodi — to je lahko kemični reaktor ali preprosta bučka — ter spremljamo potek reakcije (npr. s tanko plastno kromatografijo, merjenjem pH ali spektroskopskimi metodami).
Ključni postopki pri kemijski sintezi
- Načrtovanje poti: izračun stehiometrije, izbira reagenta, določitev omejujočega reagentа in predvidenih vmesnih produktov (strategije: totalna sinteza, konvergentna sinteza, divergenca ipd.).
- Vodenje reakcije: nadzor temperature, časa, mešanja, tlaka in dodajanje reagentov v določenem zaporedju (na kapljice, hitre injekcije …).
- Uporaba katalizatorjev in reagentov: kisline, baze, oksidanti, reducenti, organometali (npr. Grignardovi reagenti), reagentni kompleksi in encimi v biokemijskih sintezah.
- Obdelava reakcijske zmesi (work-up): nevtralizacija, izločanje topila, separacija plasti, sušenje in koncentracija zmesi.
- Čiščenje in ločevanje: rekristalizacija, destilacija, kromatografija (tanko plastna, kolonna, HPLC) in druge tehnike za odstranitev nečistoč.
- Analiza in potrditev strukture: spektralne metode (NMR, IR, UV-Vis), masna spektrometrija (MS), elementna analiza, določitev tališča in primerjava s knjižnimi vrednostmi.
Izkoristek, omejujoči reagent in stranske reakcije
Količina produkta pri kemijski sintezi se pogosto izraža kot reakcijski izkoristek. Izkoristek navadno navajamo kot maso v gramih ali kot odstotek teoretične količine produkta, ki bi nastala glede na množino omejujočega reagentа.
Izračun odstotnega izkoristka: odstotni izkoristek = (dejanski izkoristek / teoretični izkoristek) × 100. Teoretični izkoristek izračunamo iz stehiometrije reakcije in začetnih količin reagentov. Če v reakciji eden reagentov zmanjka prej kot drugi, je ta reagent omejujoči reagent in določa največjo možno količino produkta.
Stranske reakcije so nezaželene reakcije, ki potekajo vzporedno z željeno reakcijo in zmanjšajo izkoristek želenega produkta ali ustvarjajo neprijetne nečistoče. Nekateri pogosti vzroki za stranske reakcije so neustrezna temperatura, prisotnost vode pri reakcijah občutljivih reagentov (npr. Grignard), oksidacija ali prekomerno reagiranje z enim od reagentov.
Učinkovitost, trajnost in varnost
Poleg klasičnega izkoristka se danes vse bolj ocenjuje tudi atom economy (koliko atomov iz reagentov je vključenih v končni produkt) in splošna trajnost sinteze. Zeleni kemiji namenja pozornost zmanjševanju odpadkov, uporabi manj strupenih topil ter izogibanju nevarnim reagentom. Pri načrtovanju sinteze je zato pomembno razmisliti o varnosti pri delu, ravnanju z odpadki in možnostih skaliranja proizvodnje izlaboratorija v industrijsko okolje.
Skaliranje in reprodukcija
Sinteze v laboratoriju so pogosto optimizirane za majhne razsežnosti; pri povečevanju obsega (skladanje, pilotna proizvodnja) se pojavijo dodatni izzivi: prenos toplote, mešanje, varnostne omejitve, drugačno vedenje stranskih reakcij in potreba po drugačnih metodah čiščenja. Zato so dobre eksperimentalne procedue, natančni zapisi pogojev in ponovljivost ključni za uspešno skaliranje.
Primeri in zgodovina
V praksi so pogosti primeri sintez esterifikacije (kar vključuje reakcijo karboksilnih kislin in alkoholov), nukleofilne zamenjave (npr. SN2), oksidacij in redukcij ter tvorbe ogljik–ogljikovih vezi z organometalnimi reagenti. Zgodovinsko je bil pomemben prispevek kemika Adolpha Wilhelma Hermanna Kolbeja, ki je kot prvi uporabil besedo sinteza v današnjem pomenu in s tem pomagal uveljaviti koncepte moderne organske sinteze.
Za praktično delo v laboratoriju je priporočljivo slediti standardnim protokolom, upoštevati varnostne liste (MSDS) za vse kemikalije, dokumentirati postopke in rezultate ter za kritične korake opraviti kontrolne analize, da zagotovimo kakovost in varnost končnega produkta.
Strategije
V večini primerov ena sama reakcija ne bo pretvorila reaktanta (izhodne kemikalije) v želeni produkt reakcije. Kemiki imajo številne strategije za iskanje najboljšega zaporedja reakcij, da bi dobili želeni produkt. Pri kaskadnih reakcijah se v enem reaktantu zgodi več kemijskih sprememb. Pri večkomponentnih reakcijah iz do 11 različnih reaktantov nastane en sam reakcijski produkt. Pri teleskopski sintezi gre en reaktant skozi več pretvorb, ne da bi po vsakem koraku izolirali vmesne produkte.
Organska sinteza
Organska sinteza je posebna vrsta kemijske sinteze. Pri organski sintezi nastajajo samo organske spojine. Celotna sinteza kompleksnega izdelka lahko traja več korakov, da se doseže ciljni izdelek. Ti koraki lahko vzamejo preveč časa. Kemiki želijo imeti spretnosti pri organski sintezi in biti sposobni najti pot sinteze z najmanjšim številom korakov. Za sintezo zelo dragocenih ali zahtevnih spojin so kemiki, kot je Robert Burns Woodward, prejeli Nobelovo nagrado za kemijo.
Če kemijska sinteza izhaja iz osnovnih laboratorijskih spojin in daje nekaj novega, gre za "povsem sintetični postopek". Če se začne s produktom, izoliranim iz rastlin ali živali, in nato preide na novo spojino, se sinteza imenuje "polsintetični proces".
Drugi pomeni
Največkrat kemijska sinteza pomeni celoten večstopenjski postopek za izdelavo želenega izdelka. Včasih kemiki uporabljajo izraz "kemijska sinteza" samo za neposredno kombinacijsko reakcijo. Pri neposredni kombinacijski reakciji se dva ali več reaktantov združi v en sam produkt. Kemijska enačba za neposredno kombinacijsko reakcijo je:
A + B → AB
kjer sta A in B elementa ali spojini, AB pa je spojina, sestavljena iz A in B. Primeri kombinacijskih reakcij vključujejo:
2Na + Cl2 → 2 NaCl (nastanek kuhinjske soli)
S + O2 → SO2 (nastanek žveplovega dioksida)
4 Fe + 3 O2 → 2 Fe 2O3 (rjavenje železa)
CO2 + H2O → H 2CO3 (ogljikov dioksid se raztopi in reagira z vodo v ogljikovo kislino)
Štiri posebna pravila za sintezo so:
kovinski oksid + H2O → kovina(OH)
nekovinski oksid + H2 O → oksidna kislina
kovinski klorid + O2 → kovinski klorat
kovinski oksid + CO2 → kovinski karbonat (CO 3)
Sorodne strani
- Kemijsko inženirstvo
- Organska sinteza
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je kemijska sinteza?
O: Kemijska sinteza je postopek uporabe kemijskih reakcij za proizvodnjo izdelka ali več izdelkov.
V: Kaj so reagenti ali reaktanti?
O: Reagenti ali reaktanti so izhodne kemikalije, ki se uporabljajo pri kemijski sintezi.
V: Kaj kemiki naredijo z reagenti?
O: Kemiki manipulirajo z reagenti in jih mešajo, da bi sintetizirali želeni izdelek ali vmesni izdelek.
V: Katera vrsta posode se uporablja za te reakcije?
O: Za te reakcije se lahko uporablja kemijski reaktor ali preprosta bučka.
V: Kako se meri količina produkta pri kemijski sintezi?
O: Količina produkta, proizvedenega v kemijski sintezi, se običajno meri kot masa v gramih ali kot odstotek celotne teoretične količine, ki bi jo lahko proizvedli.
V: Kaj je stranska reakcija?
O: Stranska reakcija je nezaželena kemijska reakcija, ki zmanjša izkoristek želenega produkta.
V: Kdo je prvi uporabil besedo "sinteza" v današnjem pomenu?
O: Kemik Adolph Wilhelm Hermann Kolbe je bil prvi, ki je uporabil besedo "sinteza" v današnjem pomenu.
