Organisk syntes

En totalsyntes är en fullständig kemisk syntes av komplexa organiska molekyler från enkla, kommersiellt tillgängliga (petrokemiska) eller naturliga prekursorer. I en linjär syntes - som ofta används för enkla strukturer - utförs flera steg efter varandra tills molekylen är färdig. De kemiska föreningar som tillverkas i varje steg kallas vanligtvis syntetiska intermediärer. För mer komplexa molekyler kan ett annat tillvägagångssätt vara att föredra: konvergerande syntes innebär att flera "bitar" (viktiga mellanprodukter) framställs individuellt, som sedan kombineras för att bilda målprodukten.

Robert Burns Woodward, som fick Nobelpriset i kemi 1965 för flera totalsynteser (t.ex. hans syntes av stryknin 1954), betraktas som den moderna organiska syntesens fader. Några senare exempel på totalsynteser är bland annat Wenders, Holtons, Nicolaous och Danishefskys syntes av taxol.

Varje steg i en syntes innebär en kemisk reaktion, och reagenserna och förhållandena för varje reaktion måste utformas så att man får ett bra utbyte och en ren produkt med så lite arbete som möjligt. Det kan redan finnas en metod i litteraturen för att framställa en av de tidiga syntetiska intermediärerna, och denna metod kommer vanligtvis att användas i stället för att "försöka uppfinna hjulet på nytt". De flesta intermediärer är dock föreningar som aldrig har tillverkats tidigare. Dessa kommer normalt att framställas med hjälp av allmänna metoder som utvecklats av metodforskare. För att vara användbara måste dessa metoder ge höga utbyten. De måste också vara tillförlitliga för ett brett spektrum av substrat. För praktiska tillämpningar ställs ytterligare krav på bland annat industriella säkerhets- och renhetsnormer. Metodforskning omfattar vanligtvis tre huvudfaser: upptäckt, optimering och studier av räckvidd och begränsningar. Upptäckten kräver omfattande kunskap om och erfarenhet av lämpliga reagensers kemiska reaktivitet. Vid optimering testas en eller två startföreningar i reaktionen under en mängd olika förhållanden med avseende på temperatur, lösningsmedel, reaktionstid osv. Forskarna prövar olika förhållanden tills de hittar de bästa förhållandena för produktavkastning och renhet. Slutligen försöker forskarna utvidga syntesmetoden till ett brett spektrum av olika utgångsmaterial för att hitta dess räckvidd och begränsningar. Totalsynteser (se ovan) används ibland för att lyfta fram den nya metoden och visa dess värde i en verklig tillämpning. Stora industrier med inriktning särskilt på polymerer (och plaster) och läkemedel har använt sig av denna forskning.

De flesta komplexa naturprodukter är kirala. Varje enantiomer kan ha olika bioaktivitet. Traditionella totalsynteser var inriktade på racemiska blandningar, dvs. en lika stor blandning av båda möjliga enantiomerer. Den racemiska blandningen kan sedan separeras genom kiral upplösning.

Under senare hälften av 1900-talet började kemister utveckla metoder för asymmetrisk katalys och kinetisk upplösning. Dessa reaktioner kunde styras så att endast en enantiomer producerades i stället för en racemisk blandning. Tidiga exempel är Sharpless epoxidering (K. Barry Sharpless) och asymmetrisk hydrering (William S. Knowles och Ryōji Noyori). För sina prestationer fick dessa arbetare Nobelpriset i kemi 2001. Sådana reaktioner gav kemisterna ett mycket större urval av enantiomeriskt rena molekyler för att påbörja en organisk syntes. Tidigare kunde endast naturliga enantiomera utgångsmaterial användas. Med hjälp av Robert Burns Woodwards teknik och andra nya syntetiska metoder fick kemisterna större möjligheter att tillverka komplexa molekyler utan oönskad racemisering. Detta kallas stereokontroll. Detta gjorde det möjligt att syntetisera den slutliga målmolekylen som en ren enantiomer utan att någon upplösning var nödvändig. Sådana tekniker kallas asymmetrisk syntes.

Elias James Corey tog fram ett mer formellt tillvägagångssätt för syntesutformning, baserat på retrosyntetisk analys, för vilket han fick Nobelpriset i kemi 1990. I detta tillvägagångssätt planeras forskningen bakåt från produkten med hjälp av standardregler. Stegen visas med hjälp av retrosyntetiska pilar (ritade som: =>), vilket i praktiken betyder "görs av". Datorprogram har skrivits för att utforma en syntes baserad på sekvenser av generiska "halvreaktioner".