Kemisk syntese
Kemisk syntese, konstruktionen af komplekse kemiske forbindelser ud fra enklere. Det er den proces, hvorved mange stoffer, der er vigtige for det daglige liv, opnås. Det anvendes på alle typer kemiske forbindelser, men de fleste synteser er af organiske molekyler.
Kemikere syntetiserer kemiske forbindelser, der forekommer i naturen for at få en bedre forståelse af deres strukturer. Syntese gør det også muligt for kemikere at producere forbindelser, der ikke dannes naturligt til forskningsformål. I industrien bruges syntese til at fremstille produkter i stor mængde.
Kemiske forbindelser består af atomer af forskellige grundstoffer, der er forbundet med kemiske bindinger. En kemisk syntese involverer normalt nedbrydning af eksisterende bindinger og dannelse af nye. Syntese af et komplekst molekyle kan involvere et betydeligt antal individuelle reaktioner, der fører i rækkefølge fra tilgængelige udgangsmaterialer til det ønskede slutprodukt. Hvert trin involverer normalt reaktion ved kun en kemisk binding i molekylet.
Ved planlægningen af den kemiske syntesevej visualiserer kemikere normalt slutproduktet og arbejder baglæns mod stadig mere enkle forbindelser. For mange forbindelser er det muligt at etablere alternative syntetiske veje. De, der faktisk anvendes, afhænger af mange faktorer, såsom omkostninger og tilgængelighed af udgangsmaterialer, den mængde energi, der er nødvendig for at få reaktionen til at foregå med en tilfredsstillende hastighed, og omkostningerne ved adskillelse og oprensning af slutprodukterne. Desuden hjælper viden om reaktionsmekanismen og funktionen af den kemiske struktur (eller de funktionelle gruppers opførsel) med nøjagtig bestemmelse af den mest foretrukne vej, der fører til det ønskede reaktionsprodukt.
Et mål med at planlægge en kemisk syntese er at finde reaktioner, der kun påvirker en del af molekylet og efterlader andre dele uændrede. Et andet mål er at producere høje udbytter af det ønskede produkt på så kort tid som muligt. Ofte konkurrerer reaktioner i en syntese, hvilket reducerer udbyttet af et ønsket produkt. Konkurrence kan også føre til dannelse af sideprodukter, som det kan være vanskeligt at adskille fra det vigtigste. I nogle industrielle synteser kan dannelse af biprodukter være velkomment, hvis biprodukterne er kommercielt nyttige. Diethylether er for eksempel et biprodukt fra den store syntese af ethanol (ethylalkohol) fra ethylen. Både alkoholen og etheren er værdifulde og kan let adskilles.
De reaktioner, der er involveret i kemiske synteser, involverer normalt, men ikke altid, mindst to forskellige stoffer. Nogle molekyler vil skifte til andre udelukkende under påvirkning af varme, for eksempel, mens andre reagerer på udsættelse for stråling (fx ultraviolet lys) eller til elektrisk strøm. Men hvor to eller flere forskellige stoffer interagerer, skal de bringes tæt på hinanden. Dette gøres normalt ved at udføre synteserne med elementerne eller forbindelserne i deres flydende eller gasformige tilstand. Hvor reaktanterne er ufleksible faste stoffer, udføres reaktionen ofte i opløsning.
Hastigheden af en kemisk reaktion stiger generelt med temperaturen; kemiske synteser udføres således ofte ved forhøjede temperaturer. Den industrielle syntese af salpetersyre fra ammoniak og ilt udføres for eksempel ved ca. 900 ° C (1.650 ° F). Ofte vil opvarmning forøge hastigheden af en reaktion utilstrækkeligt, eller ustabiliteten af en eller flere reaktanter forhindrer anvendelse. I sådanne tilfælde anvendes katalysatorer – stoffer, der fremskynder eller bremser en reaktion -. De fleste industrielle processer involverer brugen af katalysatorer.
Nogle stoffer reagerer så hurtigt og voldsomt, at kun omhyggelig kontrol med forholdene vil føre til det ønskede produkt. Når ethylengas syntetiseres til polyethylen, en af de mest almindelige plastarter, frigøres en stor mængde varme. Hvis denne frigivelse ikke kontrolleres på en eller anden måde – f.eks. Ved afkøling af reaktorbeholderen – nedbrydes ethylenmolekylerne til kulstof og hydrogen.
Mange teknikker er blevet udviklet til at adskille produkterne fra kemisk syntese. Disse involverer ofte en faseændring. For eksempel kan produktet fra en syntetisk reaktion muligvis ikke opløses i et bestemt opløsningsmiddel, medens udgangsmaterialerne gør det. I dette tilfælde udfældes produktet som et fast stof og kan separeres fra blandingen ved filtrering.Alternativt, hvis både udgangsmaterialer og produkter er flygtige, kan det være muligt at adskille dem ved destillation.
Visse kemiske synteser egner sig let til anvendelse af automatiserede teknikker. Automatiske DNA (deoxyribonukleinsyre) synthesizers anvendes f.eks. I vid udstrækning til at producere specifikke proteinsekvenser.