Organická syntéza

Totální syntéza je úplná chemická syntéza složitých organických molekul z jednoduchých, komerčně dostupných (petrochemických) nebo přírodních prekurzorů. Při lineární syntéze - často používané pro jednoduché struktury - se provádí několik kroků za sebou, dokud není molekula kompletní. Chemické sloučeniny vzniklé v jednotlivých krocích se obvykle nazývají syntetické meziprodukty. Pro složitější molekuly může být vhodnější jiný přístup: konvergentní syntéza zahrnuje individuální přípravu několika "částí" (klíčových meziproduktů), které se pak spojí za vzniku cílového produktu.

Robert Burns Woodward, který v roce 1965 obdržel Nobelovu cenu za chemii za několik totálních syntéz (například za syntézu strychninu v roce 1954), je považován za otce moderní organické syntézy. Mezi příklady totální syntézy z poslední doby patří Wenderova, Holtonova, Nicolaouova a Danishefského syntéza taxolu.

Každý krok syntézy zahrnuje chemickou reakci a činidla a podmínky pro každou z těchto reakcí je třeba navrhnout tak, aby se dosáhlo dobrého výtěžku a čistého produktu s co nejmenšími nároky na práci. V literatuře již může existovat metoda pro výrobu některého z prvních syntetických meziproduktů a tato metoda se obvykle použije místo toho, aby se "vynalézalo kolo". Většina meziproduktů jsou však sloučeniny, které ještě nikdy nebyly vyrobeny. Obvykle se vyrobí pomocí obecných metod vyvinutých výzkumnými pracovníky v oblasti metodologie. Aby byly tyto metody užitečné, musí poskytovat vysoké výtěžky. Musí být také spolehlivé pro širokou škálu substrátů. Pro praktické aplikace zahrnují další požadavky průmyslové standardy bezpečnosti a čistoty. Metodologický výzkum obvykle zahrnuje tři hlavní fáze: objevování, optimalizaci a studium rozsahu a omezení. Objevování vyžaduje rozsáhlé znalosti a zkušenosti s chemickými reaktivitami vhodných činidel. Optimalizace spočívá v tom, že se v reakci testuje jedna nebo dvě výchozí sloučeniny za nejrůznějších podmínek teploty, rozpouštědla, reakční doby atd. Výzkumníci zkoušejí různé podmínky, dokud nenajdou nejlepší podmínky pro výtěžek a čistotu produktu. Nakonec se výzkumníci snaží rozšířit metodu syntézy na širokou škálu různých výchozích materiálů, aby zjistili její rozsah a omezení. Totální syntézy (viz výše) se někdy používají ke zvýraznění nové metody a k demonstraci její hodnoty v reálné aplikaci. Významná průmyslová odvětví zaměřená zejména na polymery (a plasty) a na léčiva tento výzkum využívají.

Většina složitých přírodních produktů je chirální. Každý enantiomer může mít jinou bioaktivitu. Tradiční totální syntézy byly zaměřeny na racemické směsi, tj. jako stejná směs obou možných enantiomerů. Rakemickou směs pak bylo možné oddělit pomocí chirálního rozlišení.

Ve druhé polovině dvacátého století začali chemici vyvíjet metody asymetrické katalýzy a kinetického rozlišení. Tyto reakce mohly být řízeny tak, aby vznikl pouze jeden enantiomer, a nikoli racemická směs. Mezi první příklady patří Sharplessova epoxidace (K. Barry Sharpless) a asymetrická hydrogenace (William S. Knowles a Ryōji Noyori). Za své úspěchy se tito pracovníci v roce 2001 podělili o Nobelovu cenu za chemii. Takové reakce daly chemikům mnohem širší výběr enantiomerně čistých molekul pro zahájení organické syntézy. Dříve bylo možné použít pouze přírodní enantiomerní výchozí materiály. Díky technikám, jejichž průkopníkem byl Robert Burns Woodward, a dalším novým syntetickým metodám mohli chemici lépe vyrábět složité molekuly bez nežádoucí racemizace. Tomuto postupu se říká stereokontrola. To umožnilo syntetizovat konečnou cílovou molekulu jako jeden čistý enantiomer bez nutnosti jakéhokoli rozlišení. Tyto techniky se označují jako asymetrická syntéza.

Elias James Corey přinesl formálnější přístup k návrhu syntéz, založený na retrosyntetické analýze, za který získal v roce 1990 Nobelovu cenu za chemii. Při tomto přístupu se výzkum plánuje zpětně od produktu za použití standardních pravidel. Jednotlivé kroky jsou znázorněny pomocí retrosyntetických šipek (nakreslených jako: =>), což v podstatě znamená "je vyroben z". Byly napsány počítačové programy pro návrh syntézy založené na sekvencích obecných "poloreakcí".