Kémiai szintézis
Kémiai szintézis, összetett kémiai vegyületek felépítése egyszerűbbekből. Ez az a folyamat, amelynek során számos, a mindennapi élet szempontjából fontos anyagot előállítanak. Minden típusú vegyi vegyületre alkalmazzák, de a legtöbb szintézis szerves molekulákból áll.
A kémikusok szintetizálják a természetben előforduló kémiai vegyületeket, hogy jobban megismerjék szerkezetüket. A szintézis lehetővé teszi a vegyészek számára, hogy olyan vegyületeket állítsanak elő, amelyek nem természetes módon alakulnak ki kutatási célokra. Az iparban a szintézist nagy mennyiségű termékek előállítására használják.
A kémiai vegyületek különböző elemek atomjaiból állnak, amelyeket kémiai kötések kötnek össze. A kémiai szintézis általában a meglévő kötések megszakadásával és újak kialakulásával jár. Egy komplex molekula szintézise jelentős számú egyedi reakcióval járhat, amelyek a rendelkezésre álló kiindulási anyagoktól a kívánt végtermékig egymás után vezetnek. Minden lépés általában csak egy kémiai kötésen keresztül reagál a molekulában.
A kémiai szintézis útjának megtervezésénél a vegyészek általában vizualizálják a végterméket, és visszafelé haladnak az egyre egyszerűbb vegyületek felé. Számos vegyület esetében lehetséges alternatív szintetikus útvonalak meghatározása. A ténylegesen felhasználtak sok tényezőtől függenek, például a kiindulási anyagok költségétől és elérhetőségétől, a reakció kielégítő lefolyásához szükséges energia mennyiségétől, valamint a végtermékek elválasztásának és tisztításának költségeitől. Ezenkívül a reakciómechanizmus és a kémiai szerkezet (vagy a funkcionális csoportok viselkedésének) ismerete segít meghatározni a legkedvezőbb utat, amely a kívánt reakciótermékhez vezet.
A kémiai szintézis tervezésének célja az, hogy olyan reakciókat találjon, amelyek a molekula csak egy részére hatnak, a többi rész változatlan marad. Egy másik cél a kívánt termék magas hozamának elérése a lehető legrövidebb idő alatt. Gyakran a szintézis reakciói versengenek, csökkentve a kívánt termék hozamát. A verseny melléktermékek kialakulásához is vezethet, amelyeket nehéz elkülöníteni a főtől. Egyes ipari szintézisekben a melléktermékek képződése üdvözlendő, ha a melléktermékek kereskedelemben hasznosak. A dietil-éter például az etanol (etil-alkohol) etilénből történő nagyszabású szintézisének mellékterméke. Az alkohol és az éter egyaránt értékes és könnyen elválasztható.
A kémiai szintézisben résztvevő reakciók általában, de nem mindig, legalább két különböző anyagot tartalmaznak. Egyes molekulák például csak hő hatására válnak másokká, míg mások sugárzásnak (pl. Ultraibolya fény) vagy elektromos áramnak vannak kitéve. Ha azonban két vagy több különböző anyag kölcsönhatásba lép, azokat szoros közelségbe kell hozni egymással. Ez általában úgy történik, hogy a szintéziseket folyadék vagy gáz halmazállapotú elemekkel vagy vegyületekkel hajtják végre. Ahol a reagensek invabil szilárd anyagok, a reakciót gyakran oldatban hajtják végre.
A kémiai reakció sebessége általában növekszik a hőmérséklet függvényében; a kémiai szintéziseket ezért gyakran magas hőmérsékleten hajtják végre. A salétromsav ipari szintézisét például ammóniából és oxigénből körülbelül 900 ° C-on (1650 ° F) végezzük. A melegítés gyakran elégtelenül növeli a reakció sebességét, vagy egy vagy több reagens instabilitása megakadályozza az alkalmazást. Ilyen esetekben katalizátorokat – olyan anyagokat használnak, amelyek felgyorsítják vagy lassítják a reakciót. Az ipari folyamatok többsége katalizátorokat tartalmaz.
Egyes anyagok olyan gyorsan és hevesen reagálnak, hogy csak a körülmények gondos ellenőrzése vezet a kívánt termékhez. Ha az etiléngázt polietilénné szintetizálják, amely az egyik leggyakoribb műanyag, nagy mennyiségű hő szabadul fel. Ha ezt a felszabadulást valamilyen módon nem szabályozzák – például a reaktortartály hűtésével -, az etilénmolekulák szénre és hidrogénre bomlanak.
Számos technikát fejlesztettek ki a kémiai szintézis termékeinek elválasztására. Ezek gyakran fázisváltással járnak. Például a szintetikus reakció terméke nem oldódhat egy adott oldószerben, míg a kiindulási anyagok igen. Ebben az esetben a termék szilárd anyagként kicsapódik, és szűréssel elválasztható a keveréktől.Alternatív megoldásként, ha a kiindulási anyagok és a termékek is illékonyak, lehetséges, hogy desztillációval szétválaszthatók.
Bizonyos kémiai szintézisek könnyen alkalmazhatók automatizált technikák alkalmazásában. Például az automatikus DNS (dezoxiribonukleinsav) szintetizátorokat széles körben használják specifikus fehérjeszekvenciák előállítására.