Chemická syntéza
Chemická syntéza, konstrukce složitých chemických sloučenin z jednodušších. Jedná se o proces, kterým se získává mnoho látek důležitých pro každodenní život. Aplikuje se na všechny typy chemických sloučenin, ale většina syntéz je z organických molekul.
Chemici syntetizují chemické sloučeniny, které se vyskytují v přírodě, aby lépe porozuměli jejich strukturám. Syntéza také umožňuje chemikům vyrábět sloučeniny, které se přirozeně netvoří pro výzkumné účely. V průmyslu se syntéza používá k výrobě produktů ve velkém množství.
Chemické sloučeniny se skládají z atomů různých prvků spojených chemickými vazbami. Chemická syntéza obvykle zahrnuje rozbití existujících vazeb a tvorbu nových. Syntéza komplexní molekuly může zahrnovat značné množství jednotlivých reakcí vedoucích v pořadí od dostupných výchozích materiálů k požadovanému konečnému produktu. Každý krok obvykle zahrnuje reakci pouze na jedné chemické vazbě v molekule.
Při plánování cesty chemické syntézy chemici obvykle vizualizují konečný produkt a pracují zpět směrem ke stále jednodušším sloučeninám. U mnoha sloučenin je možné stanovit alternativní syntetické cesty. Ty, které se skutečně používají, závisí na mnoha faktorech, jako jsou cena a dostupnost výchozích materiálů, množství energie potřebné k tomu, aby reakce probíhala uspokojivou rychlostí, a náklady na separaci a čištění konečných produktů. Znalost reakčního mechanismu a funkce chemické struktury (nebo chování funkčních skupin) navíc pomáhá přesně určit nejoblíbenější cestu, která vede k požadovanému reakčnímu produktu.
Cílem plánování chemické syntézy je najít reakce, které ovlivní pouze jednu část molekuly, přičemž ostatní části zůstanou beze změny. Dalším cílem je dosáhnout vysokých výtěžků požadovaného produktu v co nejkratší době. Reakce v syntéze často soutěží a snižují výtěžek požadovaného produktu. Konkurence může také vést k tvorbě vedlejších produktů, které je obtížné oddělit od hlavního produktu. V některých průmyslových syntézách může být tvorba vedlejších produktů vítána, pokud jsou vedlejší produkty komerčně užitečné. Například diethylether je vedlejším produktem rozsáhlé syntézy ethanolu (ethylalkoholu) z ethylenu. Alkohol i ether jsou cenné a lze je snadno oddělit.
Reakce spojené s chemickými syntézami obvykle, ale ne vždy, zahrnují alespoň dvě různé látky. Některé molekuly se změní na jiné pouze například působením tepla, zatímco jiné reagují při vystavení záření (např. Ultrafialovému záření) nebo elektrickému proudu. Pokud však interagují dvě nebo více různých látek, je třeba je uvést do těsné blízkosti. To se obvykle provádí syntézou s prvky nebo sloučeninami v kapalném nebo plynném stavu. Tam, kde jsou reakčními látkami těkavé pevné látky, se reakce často provádí v roztoku.
Rychlost chemické reakce se obecně zvyšuje s teplotou; chemické syntézy se tak často provádějí při zvýšených teplotách. Například průmyslová syntéza kyseliny dusičné z amoniaku a kyslíku se provádí při asi 900 ° C (1650 ° F). Zahřívání často nedostatečně zvýší rychlost reakce nebo nestabilita jednoho nebo více reaktantů znemožňuje aplikaci. V takových případech se používají katalyzátory – látky, které urychlují nebo zpomalují reakci. Většina průmyslových procesů zahrnuje použití katalyzátorů.
Některé látky reagují tak rychle a prudce, že k požadovanému produktu povede pouze pečlivá kontrola podmínek. Když se plynný ethylen syntetizuje na polyethylen, jeden z nejběžnějších plastů, uvolňuje se velké množství tepla. Pokud toto uvolňování není nějakým způsobem řízeno – například chlazením nádoby reaktoru -, molekuly ethylenu se rozloží na uhlík a vodík.
Bylo vyvinuto mnoho technik k oddělení produktů chemické syntézy. Ty často zahrnují fázovou změnu. Například produkt syntetické reakce se nemusí rozpustit v konkrétním rozpouštědle, zatímco výchozí materiály ano. V tomto případě se produkt vysráží ve formě pevné látky a lze jej ze směsi oddělit filtrací.Alternativně, pokud jsou výchozí materiály i produkty těkavé, je možné je oddělit destilací.
Některé chemické syntézy se snadno hodí k použití automatizovaných technik. K výrobě specifických proteinových sekvencí se široce používají například automatické syntetizátory DNA (kyselina deoxyribonukleová).