Chemische Synthese (Deutsch)
Chemische Synthese, die Konstruktion komplexer chemischer Verbindungen aus einfacheren. Es ist der Prozess, durch den viele Substanzen erhalten werden, die für das tägliche Leben wichtig sind. Es wird auf alle Arten chemischer Verbindungen angewendet, aber die meisten Synthesen bestehen aus organischen Molekülen.
Chemiker synthetisieren chemische Verbindungen, die in der Natur vorkommen, um ihre Strukturen besser zu verstehen. Die Synthese ermöglicht es Chemikern auch, Verbindungen herzustellen, die sich zu Forschungszwecken nicht auf natürliche Weise bilden. In der Industrie wird die Synthese verwendet, um Produkte in großen Mengen herzustellen.
Chemische Verbindungen bestehen aus Atomen verschiedener Elemente, die durch chemische Bindungen miteinander verbunden sind. Eine chemische Synthese beinhaltet normalerweise das Aufbrechen bestehender Bindungen und die Bildung neuer. Die Synthese eines komplexen Moleküls kann eine beträchtliche Anzahl von Einzelreaktionen beinhalten, die nacheinander von verfügbaren Ausgangsmaterialien zum gewünschten Endprodukt führen. Jeder Schritt beinhaltet normalerweise eine Reaktion an nur einer chemischen Bindung im Molekül.
Bei der Planung des Wegs der chemischen Synthese visualisieren Chemiker normalerweise das Endprodukt und arbeiten rückwärts zu immer einfacheren Verbindungen. Für viele Verbindungen ist es möglich, alternative Synthesewege festzulegen. Die tatsächlich verwendeten hängen von vielen Faktoren ab, wie Kosten und Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien, der Energiemenge, die benötigt wird, um die Reaktion mit einer zufriedenstellenden Geschwindigkeit ablaufen zu lassen, und den Kosten für die Trennung und Reinigung der Endprodukte. Darüber hinaus hilft die Kenntnis des Reaktionsmechanismus und der Funktion der chemischen Struktur (oder des Verhaltens der funktionellen Gruppen), den am meisten bevorzugten Weg, der zum gewünschten Reaktionsprodukt führt, genau zu bestimmen.
Ein Ziel bei der Planung einer chemischen Synthese besteht darin, Reaktionen zu finden, die nur einen Teil des Moleküls betreffen und andere Teile unverändert lassen. Ein weiteres Ziel ist es, in möglichst kurzer Zeit hohe Ausbeuten des gewünschten Produkts zu erzielen. Oft konkurrieren Reaktionen in einer Synthese und verringern die Ausbeute eines gewünschten Produkts. Der Wettbewerb kann auch zur Bildung von Nebenprodukten führen, die sich nur schwer vom Hauptprodukt trennen lassen. Bei einigen industriellen Synthesen kann die Bildung von Nebenprodukten erwünscht sein, wenn die Nebenprodukte kommerziell nützlich sind. Diethylether ist beispielsweise ein Nebenprodukt der großtechnischen Synthese von Ethanol (Ethylalkohol) aus Ethylen. Sowohl der Alkohol als auch der Äther sind wertvoll und können leicht getrennt werden.
Die Reaktionen, die an chemischen Synthesen beteiligt sind, umfassen normalerweise, aber nicht immer, mindestens zwei verschiedene Substanzen. Einige Moleküle verwandeln sich beispielsweise ausschließlich unter Wärmeeinwirkung in andere, während andere auf Strahlung (z. B. ultraviolettes Licht) oder elektrischen Strom reagieren. Wenn jedoch zwei oder mehr verschiedene Substanzen interagieren, müssen sie nahe beieinander gebracht werden. Dies erfolgt üblicherweise durch Durchführung der Synthesen mit den Elementen oder Verbindungen in flüssigem oder gasförmigem Zustand. Wenn die Reaktanten nichtflüchtige Feststoffe sind, wird die Reaktion häufig in Lösung durchgeführt. Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion nimmt im Allgemeinen mit der Temperatur zu; Chemische Synthesen werden daher häufig bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Die industrielle Synthese von Salpetersäure aus Ammoniak und Sauerstoff wird beispielsweise bei etwa 900 ° C (1.650 ° F) durchgeführt. Häufig erhöht das Erhitzen die Reaktionsgeschwindigkeit nicht ausreichend oder die Instabilität eines oder mehrerer Reaktanten verhindert die Anwendung. In solchen Fällen werden Katalysatoren verwendet – Substanzen, die eine Reaktion beschleunigen oder verlangsamen. Bei den meisten industriellen Prozessen werden Katalysatoren verwendet. Einige Substanzen reagieren so schnell und heftig, dass nur eine sorgfältige Kontrolle der Bedingungen zum gewünschten Produkt führt. Wenn Ethylengas zu Polyethylen, einem der häufigsten Kunststoffe, synthetisiert wird, wird eine große Wärmemenge freigesetzt. Wenn diese Freisetzung nicht auf irgendeine Weise gesteuert wird – z. B. durch Abkühlen des Reaktorgefäßes -, zersetzen sich die Ethylenmoleküle zu Kohlenstoff und Wasserstoff. Viele Techniken wurden entwickelt, um die Produkte der chemischen Synthese zu trennen. Diese beinhalten oft einen Phasenwechsel. Beispielsweise kann sich das Produkt einer synthetischen Reaktion nicht in einem bestimmten Lösungsmittel lösen, während dies bei den Ausgangsmaterialien der Fall ist. In diesem Fall fällt das Produkt als Feststoff aus und kann durch Filtration von der Mischung abgetrennt werden.Wenn sowohl Ausgangsmaterialien als auch Produkte flüchtig sind, können sie alternativ durch Destillation getrennt werden. Bestimmte chemische Synthesen eignen sich leicht für die Verwendung automatisierter Techniken. Beispielsweise werden automatische DNA-Synthesizer (Desoxyribonukleinsäure) häufig verwendet, um spezifische Proteinsequenzen herzustellen