Kemiallinen synteesi
Kemiallinen synteesi, monimutkaisten kemiallisten yhdisteiden rakentaminen yksinkertaisemmista. Se on prosessi, jolla saadaan monia jokapäiväiselle elämälle tärkeitä aineita. Sitä käytetään kaiken tyyppisiin kemiallisiin yhdisteisiin, mutta suurin osa synteeseistä on orgaanisia molekyylejä.
Kemistit syntetisoivat luonnossa esiintyviä kemiallisia yhdisteitä saadakseen paremman käsityksen niiden rakenteista. Synteesin avulla kemistit voivat myös tuottaa yhdisteitä, jotka eivät muodosta luonnostaan tutkimustarkoituksiin. Teollisuudessa synteesillä valmistetaan suuria määriä tuotteita.
Kemialliset yhdisteet koostuvat eri alkuaineiden atomista, jotka on liitetty toisiinsa kemiallisilla sidoksilla. Kemiallinen synteesi sisältää yleensä olemassa olevien sidosten rikkoutumisen ja uusien muodostumisen. Kompleksimolekyylin synteesi voi sisältää huomattavan määrän yksittäisiä reaktioita, jotka johtavat peräkkäin käytettävissä olevista lähtöaineista haluttuun lopputuotteeseen. Jokaiseen vaiheeseen liittyy yleensä reaktio vain yhdellä kemiallisella sidoksella molekyylissä.
Suunnitellessaan kemiallisen synteesin reittiä kemistit yleensä visualisoivat lopputuotteen ja työskentelevät taaksepäin kohti yhä yksinkertaisempia yhdisteitä. Monille yhdisteille on mahdollista muodostaa vaihtoehtoisia synteettisiä reittejä. Tosiasiallisesti käytetyt tekijät riippuvat monista tekijöistä, kuten lähtöaineiden hinnasta ja saatavuudesta, reaktion etenemiseen tyydyttävällä nopeudella tarvittavasta energiamäärästä sekä lopputuotteiden erottamisen ja puhdistamisen kustannuksista. Lisäksi tieto reaktiomekanismista ja kemiallisen rakenteen toiminnasta (tai funktionaalisten ryhmien käyttäytymisestä) auttaa määrittämään tarkasti suosituimman reitin, joka johtaa haluttuun reaktiotuotteeseen.
Kemiallisen synteesin suunnittelun tavoitteena on löytää reaktioita, jotka vaikuttavat vain yhteen molekyylin osaan, jolloin muut osat pysyvät muuttumattomina. Toinen tavoite on tuottaa halutun tuotteen korkeat saannot mahdollisimman lyhyessä ajassa. Usein synteesin reaktiot kilpailevat vähentäen halutun tuotteen saantoa. Kilpailu voi myös johtaa sivutuotteiden muodostumiseen, joita voi olla vaikea erottaa päätuotteista. Joissakin teollisissa synteeseissä sivutuotteiden muodostuminen voi olla tervetullut, jos sivutuotteet ovat kaupallisesti hyödyllisiä. Esimerkiksi dietyylieetteri on sivutuote etanolin (etyylialkoholi) laajamittaisesta synteesistä eteenistä. Sekä alkoholi että eetteri ovat arvokkaita ja ne voidaan erottaa helposti.
Kemiallisten synteesien reaktiot sisältävät yleensä, mutta eivät aina, ainakin kaksi erilaista ainetta. Jotkut molekyylit muuttuvat toisiksi esimerkiksi vain lämmön vaikutuksesta, kun taas toiset reagoivat säteilylle (esim. Ultraviolettivalolle) tai sähkövirralle. Jos kaksi tai useampi eri aine on vuorovaikutuksessa, ne on kuitenkin saatettava läheisyyteen toistensa kanssa. Tämä tehdään yleensä suorittamalla synteesit alkuaineiden tai yhdisteiden kanssa nestemäisessä tai kaasumaisessa tilassa. Jos reagoivat aineet ovat kiintoaineita, reaktiot suoritetaan usein liuoksessa. kemialliset synteesit suoritetaan siten usein korotetuissa lämpötiloissa. Typpihapon teollinen synteesi esimerkiksi ammoniakista ja hapesta suoritetaan noin 900 ° C: ssa (1650 ° F). Usein lämmitys lisää reaktionopeutta riittämätön tai yhden tai useamman reagoivan aineen epävakaus estää käytön. Tällaisissa tapauksissa käytetään katalyyttejä – aineita, jotka nopeuttavat tai hidastavat reaktiota. Useimmissa teollisissa prosesseissa käytetään katalyyttejä.
Jotkut aineet reagoivat niin nopeasti ja rajusti, että vain olosuhteiden huolellinen hallinta johtaa haluttuun tuotteeseen. Kun eteenikaasu syntetisoidaan polyetyleeniksi, joka on yksi yleisimmistä muoveista, vapautuu suuri määrä lämpöä. Jos tätä vapautumista ei kontrolloida jollakin tavalla – esim. Jäähdyttämällä reaktoriastiaa – eteenimolekyylit hajoavat hiileksi ja vedyksi.
Kemiallisen synteesin tuotteiden erottamiseksi on kehitetty monia tekniikoita. Näihin liittyy usein vaihemuutos. Esimerkiksi synteettisen reaktion tuote ei välttämättä liukene tiettyyn liuottimeen, kun taas lähtöaineet. Tässä tapauksessa tuote saostuu kiinteänä aineena ja se voidaan erottaa seoksesta suodattamalla.Vaihtoehtoisesti, jos sekä lähtöaineet että tuotteet ovat haihtuvia, voi olla mahdollista erottaa ne tislaamalla.
Tietyt kemialliset synteesit soveltuvat helposti automatisoitujen tekniikoiden käyttöön. Esimerkiksi automaattisia DNA (deoksiribonukleiinihappo) -syntetisaattoreita käytetään laajalti spesifisten proteiinisekvenssien tuottamiseen.