Органический синтез
Органический синтез — раздел химического синтеза , занимающийся образованием органических соединений . Органические соединения — это молекулы, состоящие из комбинаций ковалентно связанных атомов водорода , углерода , кислорода и азота . В рамках общего предмета органического синтеза существует множество различных типов синтетических путей, которые могут быть реализованы, включая полный синтез , [1] стереоселективный синтез , [2] автоматизированный синтез , [3] и многое другое. Кроме того, для понимания органического синтеза необходимо знать методологию, методы и приложения этого предмета.
Полный синтез [ править ]
Полный синтез относится к полному синтезу молекул химическому из простых природных предшественников . [1] Полный синтез осуществляется либо с помощью линейного, либо конвергентного подхода. При линейном синтезе , часто подходящем для простых структур, несколько этапов выполняются последовательно, пока молекула не будет завершена; химические соединения, образующиеся на каждом этапе, называются синтетическими промежуточными продуктами . [1] Чаще всего каждый этап синтеза представляет собой отдельную реакцию модификации исходных материалов. Для более сложных молекул конвергентный синтетический лучше подходит подход. Схема реакции этого типа включает индивидуальное получение нескольких ключевых промежуточных продуктов, которые затем объединяются с образованием желаемого продукта. [4]
Роберт Бернс Вудворд , получивший Нобелевскую премию по химии 1965 года за несколько полных синтезов. [5] включая его синтез стрихнина , [6] считается прародителем современного органического синтеза. [7] Некоторые современные примеры синтезов включают Вендер , [8] Холтон , [9] Николау , [10] и Данишевского [11] полный синтез противоракового препарата паклитаксела (торговое название Таксол). [12]
и приложения Методология
Прежде чем начать любой органический синтез, важно понять химические реакции , реагенты и условия, необходимые на каждом этапе, чтобы гарантировать успешное образование продукта. При определении оптимальных условий реакции для данного синтеза цель состоит в том, чтобы получить достаточный выход чистого продукта с как можно меньшим количеством стадий. [13] При выборе условий реакции в литературе можно предложить примеры предыдущих условий реакции, которые можно повторить, или можно разработать и протестировать новый путь синтеза. Для практического промышленного применения необходимо учитывать дополнительные условия реакции, включающие безопасность как исследователей, так и окружающей среды, а также чистоту продукта. [14]
Синтетические техники [ править ]
Органический синтез требует многих этапов разделения и очистки продуктов. В зависимости от химического состояния изолируемого продукта требуются разные методы. Для жидких продуктов очень распространенным методом разделения является жидкостно-жидкостная экстракция , а для твердых продуктов фильтрацию (гравитационную или вакуумную). можно использовать [15] [16]
- экстракция Жидкостно жидкостная
Жидкостно-жидкостная экстракция использует плотность и полярность продукта и растворителей для разделения. [16] Исходя из концепции «подобное-растворяется-подобное», неполярные соединения более растворимы в неполярных растворителях, а полярные соединения более растворимы в полярных растворителях. [17] Используя эту концепцию, можно использовать относительную растворимость соединений, добавляя несмешивающиеся растворители в одну и ту же колбу и разделяя продукт на растворитель с наиболее похожей полярностью. растворителей Смешиваемость имеет большое значение, поскольку она позволяет образовывать в колбе два слоя: один слой содержит материал побочной реакции, а другой - продукт. В результате различной плотности слоев слой, содержащий продукт, может быть изолирован, а другой слой может быть удален.
дефлегматоры подогревом и Реакции с
Многие реакции требуют нагрева для увеличения скорости реакции. [18] Однако во многих ситуациях повышенное тепло может привести к неконтролируемому кипению растворителя, что отрицательно влияет на реакцию и потенциально может снизить выход продукта. Чтобы решить эту проблему, к реакционной посуде можно прикрепить дефлегматоры. Дефлегмационные конденсаторы представляют собой специально калиброванную стеклянную посуду, имеющую два входных отверстия для воды, которая может входить и выходить через стекло под действием силы тяжести. Этот поток воды охлаждает любой выходящий субстрат и конденсирует его обратно в реакционную колбу для продолжения реакции. [19] и убедитесь, что весь продукт находится в наличии. Использование дефлегматоров является важным методом органического синтеза и используется на стадиях дефлегмации, а также на стадиях рекристаллизации.
При использовании для кипячения раствора устанавливают дефлегматоры и внимательно наблюдают за ними. Рефлюкс возникает, когда можно увидеть, как конденсат капает обратно в реакционную колбу из обратного конденсатора; 1 капля каждую секунду или несколько секунд. [19]
Для перекристаллизации раствор, содержащий продукт, снабжают конденсатором и снова доводят до кипения. Рефлюкс завершается, когда раствор, содержащий продукт, становится прозрачным. После прозрачности реакционную смесь снимают с огня и дают ей остыть, что приводит к повторному осаждению продукта с получением более чистого продукта. [20]
Гравитационная и вакуумная фильтрация [ править ]
Твердые продукты можно отделить от реакционной смеси методами фильтрации . Для получения твердых продуктов можно использовать аппарат вакуумной фильтрации.
Вакуумная фильтрация использует всасывание для протягивания жидкости через воронку Бюхнера, снабженную фильтровальной бумагой, которая улавливает желаемый твердый продукт. [15] Этот процесс удаляет любой нежелательный раствор из реакционной смеси, помещая его в фильтрующую колбу и оставляя желаемый продукт для сбора на фильтровальной бумаге.
Жидкие продукты также можно отделить от твердых веществ с помощью гравитационной фильтрации . [15] В этом методе разделения фильтровальную бумагу складывают в воронку и помещают поверх реакционной колбы. Затем реакционную смесь проливают через фильтровальную бумагу с такой скоростью, чтобы общий объем жидкости в воронке не превышал объема воронки. [15] Этот метод позволяет отделять продукт от других компонентов реакции силой тяжести, а не вакуумом.
Стереоселективный синтез [ править ]
Большинство сложных природных продуктов являются хиральными. [2] [21] и биологическая активность хиральных молекул варьируется в зависимости от энантиомера . [22] Некоторые методы полного синтеза нацелены на рацемические смеси, которые представляют собой смеси обоих возможных энантиомеров . можно выбрать один энантиомер Затем с помощью энантиомерного разрешения .
По мере развития химии были введены методы стереоселективного катализа и кинетического разделения , с помощью которых можно было направлять реакции, производя только один энантиомер, а не рацемическую смесь. [23] Ранние примеры включают стереоселективное гидрирование (например, как сообщил Уильям Ноулз). [24] и Рёдзи Ноёри [25] ) и модификации функциональных групп, такие как асимметричное эпоксидирование Барри Шарплесса ; [26] за эти достижения в области стереохимических предпочтений эти химики были удостоены Нобелевской премии по химии в 2001 году. [27] Такие избирательные стереохимические реакции дают химикам гораздо более разнообразный выбор энантиомерно чистых материалов.
Используя методы, разработанные Робертом Б. Вудвордом, в сочетании с достижениями в области синтетической методологии, химики смогли синтезировать стереохимически селективные сложные молекулы без рацемизации. Стереоконтроль позволяет синтезировать целевые молекулы в виде чистых энантиомеров (т.е. без необходимости разделения). Такие методы называются стереоселективным синтезом .
Дизайн синтеза [ править ]
Многие синтетические процедуры разработаны на основе ретросинтетической структуры — типа синтетического дизайна, разработанного Элиасом Джеймсом Кори , за который он получил Нобелевскую премию по химии в 1990 году. [28] При таком подходе синтез планируется в обратном направлении от продукта, соблюдая стандартные химические правила. [1] Каждый шаг разбивает родительскую структуру на достижимые компоненты, которые показаны с помощью графических схем с ретросинтетическими стрелками (обозначенными ⇒, что по сути означает «сделано из»). Ретросинтез позволяет визуализировать желаемые синтетические конструкции.
Автоматизированный органический синтез [ править ]
Недавней разработкой в области органического синтеза является автоматизированный синтез . Чтобы провести органический синтез без участия человека, исследователи адаптируют существующие синтетические методы и приемы для создания полностью автоматизированных синтетических процессов с использованием программного обеспечения для органического синтеза . Этот тип синтеза предпочтителен, поскольку автоматизация синтеза может увеличить выход за счет непрерывных «протекающих» реакций. В проточной химии субстраты постоянно вводятся в реакцию для получения более высокого выхода . Раньше этот тип реакций использовался только в крупномасштабной промышленной химии, но недавно он перешел к лабораторной химии, чтобы повысить эффективность реакций в меньшем масштабе. [3]
В настоящее время автоматизированный синтез в свою работу интегрирует SRI International некоммерческий исследовательский институт . Недавно SRI International разработала Autosyn, автоматизированный многоэтапный химический синтезатор, который может синтезировать многие FDA низкомолекулярные препараты, одобренные . Этот синтезатор демонстрирует универсальность субстратов и возможность потенциально расширить тип исследований, проводимых с новыми молекулами лекарств без вмешательства человека. [29]
Автоматизированная химия и используемые автоматические синтезаторы демонстрируют потенциальное направление синтетической химии в будущем.
Характеристика [ править ]
Для органического синтеза необходима характеристика . Характеристика относится к измерению химических и физических свойств данного соединения и существует во многих формах. Примеры распространенных методов определения характеристик включают: ядерный магнитный резонанс (ЯМР), [30] масс-спектрометрии , [31] Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), [32] и анализ температуры плавления. [33] Каждый из этих методов позволяет химику получить структурную информацию о вновь синтезированном органическом соединении. В зависимости от характера продукта используемый метод характеристики может варьироваться.
Актуальность [ править ]
Органический синтез — важный химический процесс, который является неотъемлемой частью многих научных областей. Примеры областей, помимо химии, которые требуют органического синтеза, включают медицинскую промышленность, фармацевтическую промышленность и многие другие. Органические процессы позволяют создавать фармацевтические продукты в промышленных масштабах. Примером такого синтеза является ибупрофен . Ибупрофен можно синтезировать в результате ряда реакций, включая восстановление , подкисление , образование реактива Гриньяра и карбоксилирование . [34]
В синтезе ибупрофена, предложенном Кьонассом и др ., п -изобутилацетофенон, исходный материал, восстанавливается боргидридом натрия (NaBH 4 ) с образованием спиртовой функциональной группы . Полученный промежуточный продукт для создания подкисляют HCl группы хлора. Затем группа хлора вступает в реакцию с магниевой стружкой с образованием реактива Гриньяра. [34] Этот Гриньяр карбоксилируется, и полученный продукт перерабатывается для синтеза ибупрофена.
Этот синтетический путь — лишь одна из многих реакций, имеющих медицинское и промышленное значение, которые были созданы и продолжают использоваться.
См. также [ править ]
- Автоматизированный синтез
- Электросинтез
- Методы органического синтеза (журнал)
- Органические синтезы (журнал)
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б с д Николау, Коннектикут ; Соренсен, Э.Дж. (1996). Классика в тотальном синтезе . Нью-Йорк: ВЧ . п. 2.
- ^ Перейти обратно: а б Блэкмонд, Донна Г. (20 ноября 2016 г.). «Происхождение биологической гомохиральности» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 2 (5): а002147. doi : 10.1101/cshperspect.a002147 . ISSN 1943-0264 . ПМК 2857173 . ПМИД 20452962 .
- ^ Перейти обратно: а б Киршнинг, Андреас (2 августа 2011 г.). «Химия в проточных системах II» . Журнал органической химии Байльштейна . 7 : 1046–1047. дои : 10.3762/bjoc.7.119 . ISSN 1860-5397 . ПМК 3169419 . ПМИД 21915206 .
- ^ «Синтетическая эффективность» . Свободные тексты по химии . 08.10.2023.
- ^ «Нобелпремия.орг» . www.nobelprize.org . Проверено 20 ноября 2016 г.
- ^ Вудворд, РБ; Кава, член парламента; Оллис, штат Вирджиния; Голод, А.; Даеникер, Хьюстон; Шенкер, К. (1954). «Полный синтез стрихнина». Журнал Американского химического общества . 76 (18): 4749–4751. дои : 10.1021/ja01647a088 . S2CID 42677858 .
- ^ Милнер, Эрин Элизабет (2010). «Дедушка органической химии: Роберт Бернс Вудворд, доктор философии» . Лабораторная медицина . 41 (4): 245–246. doi : 10.1309/lm7lbjzcc20jlksd . Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ Вендер, Пол А .; Бэдэм, Нил Ф.; Конвей, Саймон П.; Флорансиг, Пол Э.; Гласс, Тимоти Э.; Гренихер, Кристиан; Хауз, Джонатан Б.; Янихен, Ян; Ли, Дэсон (1 марта 1997 г.). «Пиненовый путь к таксанам. 5. Стереоконтролируемый синтез универсального предшественника таксана». Журнал Американского химического общества . 119 (11): 2755–2756. дои : 10.1021/ja9635387 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Холтон, Роберт А.; Сомоса, Кармен; Ким, Хён Байк; Лян, Фэн; Бидигер, Рональд Дж.; Лодочник, П. Дуглас; Шиндо, Мицуру; Смит, Чейз К.; Ким, Соекчан (1 февраля 1994 г.). «Первый полный синтез таксола. 1. Функционализация кольца B». Журнал Американского химического общества . 116 (4): 1597–1598. дои : 10.1021/ja00083a066 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Николау, КЦ; Ян, З.; Лю, Джей-Джей; Уэно, Х.; Нантермет, П.Г.; Гай, РК; Клэйборн, CF; Рено, Дж.; Куладурос, Э.А. (17 февраля 1994 г.). «Тотальный синтез таксола». Природа . 367 (6464): 630–634. Бибкод : 1994Natur.367..630N . дои : 10.1038/367630a0 . ПМИД 7906395 . S2CID 4371975 .
- ^ Данишефски, Сэмюэл Дж.; Мастерс, Джон Дж.; Янг, Венди Б.; Линк, Джей Ти; Снайдер, Лоуренс Б.; Маги, Томас В.; Юнг, Дэвид К.; Айзекс, Ричард, Калифорния; Борнманн, Уильям Г. (1 января 1996 г.). «Тотальный синтез баккатина III и таксола». Журнал Американского химического общества . 118 (12): 2843–2859. дои : 10.1021/ja952692a . ISSN 0002-7863 .
- ^ «Таксол – драма полного синтеза» . www.org-chem.org . Архивировано из оригинала 27 июля 2011 г. Проверено 20 ноября 2016 г.
- ^ Марч, Дж.; Смит, Д. (2001). Передовая органическая химия, 5-е изд . Нью-Йорк: Уайли . [ нужна страница ]
- ^ Кэри, Дж. С.; Лаффан, Д.; Томсон, К.; Уильямс, Монтана (2006). «Анализ реакций, используемых для получения молекул-кандидатов в лекарственные средства». Орг. Биомол. Хим . 4 (12): 2337–2347. дои : 10.1039/B602413K . ПМИД 16763676 . S2CID 20800243 .
- ^ Перейти обратно: а б с д «1.5А: Обзор методов» . Химия LibreTexts . 15 октября 2017 г. Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «4.2: Обзор извлечения» . Химия LibreTexts . 21 октября 2017 г. Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ «13.2: Растворы – гомогенные смеси» . Химия LibreTexts . 25 февраля 2020 г. Проверено 8 декабря 2023 г.
- ^ «10.3: Влияние температуры, концентрации и катализаторов на скорость реакции» . Химия LibreTexts . 11 августа 2022 г. Проверено 8 декабря 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «1.4К: Рефлюкс» . Химия LibreTexts . 06.10.2017 . Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ «Рекристаллизация» . Химия LibreTexts . 02.10.2013 . Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ Уэлч, CJ (1995). Достижения хроматографии . Нью-Йорк: Marcel Dekker, Inc., с. 172.
- ^ Нгуен, Лиен Ай; Он, Хуа; Фам-Хай, Чуонг (20 ноября 2016 г.). «Хиральные препараты: обзор» . Международный журнал биомедицинской науки . 2 (2): 85–100. ISSN 1550-9702 . ПМЦ 3614593 . ПМИД 23674971 .
- ^ «Катализаторы превращают рацемические смеси в отдельные энантиомеры» . Новости химии и техники . Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ Ноулз, Уильям С. (17 июня 2002 г.). «Асимметричное гидрирование (Нобелевская лекция)». Angewandte Chemie, международное издание . 41 (12): 1998–2007. doi : 10.1002/1521-3773(20020617)41:12<1998::AID-ANIE1998>3.0.CO;2-8 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 19746594 .
- ^ Ноёри, Р.; Икеда, Т.; Окума, Т.; Видхальм, М.; Китамура, М.; Такая, Х.; Акутагава, С.; Сайо, Н.; Сайто, Т. (1989). «Стереоселективное гидрирование посредством динамического кинетического разрешения». Журнал Американского химического общества . 111 (25): 9134–9135. дои : 10.1021/ja00207a038 .
- ^ Гао, Юн; Кландер, Дженис М.; Хэнсон, Роберт М.; Масамунэ, Хироко; Ко, Су Ю.; Шарплесс, К. Барри (1 сентября 1987 г.). «Каталитическое асимметричное эпоксидирование и кинетическое разрешение: модифицированные процедуры, включая дериватизацию in situ». Журнал Американского химического общества . 109 (19): 5765–5780. дои : 10.1021/ja00253a032 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Услуга. РФ (2001). «Наука премий собирает полный зал победителей». Наука . 294 (5542, 19 октября): 503–505. дои : 10.1126/science.294.5542.503b . ПМИД 11641480 . S2CID 220109249 .
- ^ «Нобелевская премия по химии 1990 года» . NobelPrize.org . Проверено 8 декабря 2023 г.
- ^ Коллинз, Натан; Стаут, Дэвид; Лим, Цзинь-Пин; Малерих, Иеремия П.; Уайт, Джейсон Д.; Мадрид, Питер Б.; Латендресс, Марио; Кригер, Дэвид; Сзето, Джуди; Ву, Ви-Ань; Ракер, Кристина; Делео, Майкл; Горфу, Йонаэль; Крумменакер, Маркус; Хокама, Лесли А. (16 октября 2020 г.). «Полностью автоматизированный химический синтез: на пути к универсальному синтезатору» . Исследования и разработки органических процессов . 24 (10): 2064–2077. дои : 10.1021/acs.oprd.0c00143 . ISSN 1083-6160 . S2CID 225789234 .
- ^ «Ядерно-магнитно-резонансная спектроскопия» . Химия LibreTexts . 02.10.2013 . Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ «Введение в масс-спектрометрию» . Химия LibreTexts . 03.10.2013 . Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ «Уильям Р.Стоквелл» . Физическая химия . 31 декабря 2016 г. Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ «2.1: Анализ температуры плавления» . Химия LibreTexts . 13 июля 2016 г. Проверено 5 декабря 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Кьонаас, Ричард А.; Уильямс, Пегги Э.; Каунс, Дэвид А.; Кроули, Линдси Р. (1 июня 2011 г.). «Синтез ибупрофена во вводной органической лаборатории» . Журнал химического образования . 88 (6): 825–828. Бибкод : 2011ЖЧЭд..88..825К . дои : 10.1021/ed100892p . ISSN 0021-9584 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Кори Э.Дж .; Ченг, XM (1995). Логика химического синтеза . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley & Sons . ISBN 978-0471115946 .
Внешние ссылки [ править ]
- Архив органического синтеза
- База данных химического синтеза
- https://web.archive.org/web/20070927231356/http://www.webreactions.net/search.html
- https://www.organic-chemistry.org/synthesis/
- Коллекция синтезов натуральных продуктов профессора Ганса Райха.
- Семантическая вики химического синтеза
Отрасли химии |
|---|
