Synthèse chimique
La synthèse chimique, la construction de composés chimiques complexes à partir de composés plus simples. Cest le processus par lequel de nombreuses substances importantes pour la vie quotidienne sont obtenues. Il est appliqué à tous les types de composés chimiques, mais la plupart des synthèses sont des molécules organiques.
Les chimistes synthétisent des composés chimiques présents dans la nature afin de mieux comprendre leurs structures. La synthèse permet également aux chimistes de produire des composés qui ne se forment pas naturellement à des fins de recherche. Dans lindustrie, la synthèse est utilisée pour fabriquer des produits en grande quantité.
Les composés chimiques sont constitués datomes déléments différents, reliés entre eux par des liaisons chimiques. Une synthèse chimique implique généralement la rupture de liaisons existantes et la formation de nouvelles. La synthèse dune molécule complexe peut impliquer un nombre considérable de réactions individuelles conduisant en séquence des matières de départ disponibles au produit final souhaité. Chaque étape implique généralement une réaction à une seule liaison chimique dans la molécule.
En planifiant la voie de la synthèse chimique, les chimistes visualisent généralement le produit final et travaillent à rebours vers des composés de plus en plus simples. Pour de nombreux composés, il est possible détablir des voies de synthèse alternatives. Celles réellement utilisées dépendent de nombreux facteurs, tels que le coût et la disponibilité des matières premières, la quantité dénergie nécessaire pour que la réaction se déroule à une vitesse satisfaisante et le coût de séparation et de purification des produits finaux. De plus, la connaissance du mécanisme de réaction et de la fonction de la structure chimique (ou du comportement des groupes fonctionnels) permet de déterminer avec précision la voie la plus favorisée menant au produit de réaction souhaité.
Un objectif de la planification dune synthèse chimique est de trouver des réactions qui naffecteront quune partie de la molécule, laissant les autres parties inchangées. Un autre objectif est de produire des rendements élevés du produit souhaité en un temps aussi court que possible. Souvent, les réactions dans une synthèse entrent en compétition, réduisant le rendement dun produit souhaité. La concurrence peut également conduire à la formation de produits secondaires qui peuvent être difficiles à séparer du principal. Dans certaines synthèses industrielles, la formation de sous-produits peut être bienvenue si les sous-produits sont commercialement utiles. Léther diéthylique, par exemple, est un sous-produit de la synthèse à grande échelle de léthanol (alcool éthylique) à partir de léthylène. Lalcool et léther sont tous deux précieux et peuvent être séparés facilement.
Les réactions impliquées dans les synthèses chimiques impliquent généralement, mais pas toujours, au moins deux substances différentes. Certaines molécules se transforment en dautres uniquement sous leffet de la chaleur, par exemple, tandis que dautres réagissent en cas dexposition aux rayonnements (par exemple, la lumière ultraviolette) ou au courant électrique. Cependant, lorsque deux ou plusieurs substances différentes interagissent, elles doivent être rapprochées les unes des autres. Cela se fait généralement en effectuant les synthèses avec les éléments ou composés à létat liquide ou gazeux. Lorsque les réactifs sont des solides non volatils, la réaction est souvent effectuée en solution.
La vitesse dune réaction chimique augmente généralement avec la température; les synthèses chimiques sont donc souvent effectuées à des températures élevées. La synthèse industrielle dacide nitrique à partir dammoniac et doxygène, par exemple, est effectuée à environ 900 ° C (1 650 ° F). Fréquemment, le chauffage naugmentera pas suffisamment la vitesse dune réaction ou linstabilité dun ou plusieurs réactifs empêchera lapplication. Dans de tels cas, des catalyseurs – des substances qui accélèrent ou ralentissent une réaction – sont utilisés. La plupart des processus industriels impliquent lutilisation de catalyseurs.
Certaines substances réagissent si rapidement et violemment que seul un contrôle minutieux des conditions conduira au produit souhaité. Lorsque léthylène gazeux est synthétisé en polyéthylène, lun des plastiques les plus courants, une grande quantité de chaleur est libérée. Si cette libération nest pas contrôlée dune manière ou dune autre, par exemple en refroidissant la cuve du réacteur, les molécules déthylène se décomposent en carbone et en hydrogène.
De nombreuses techniques ont été développées pour séparer les produits de la synthèse chimique. Ceux-ci impliquent souvent un changement de phase. Par exemple, le produit dune réaction synthétique peut ne pas se dissoudre dans un solvant particulier, contrairement aux matières de départ. Dans ce cas, le produit précipitera sous forme de solide et peut être séparé du mélange par filtration.Alternativement, si les matières premières et les produits sont volatils, il peut être possible de les séparer par distillation.
Certaines synthèses chimiques se prêtent facilement à lutilisation de techniques automatisées. Les synthétiseurs automatiques dADN (acide désoxyribonucléique), par exemple, sont largement utilisés pour produire des séquences protéiques spécifiques.