Chemische synthese
Chemische synthese, de constructie van complexe chemische verbindingen uit eenvoudigere. Het is het proces waardoor veel stoffen worden verkregen die belangrijk zijn voor het dagelijks leven. Het wordt toegepast op alle soorten chemische verbindingen, maar de meeste syntheses zijn van organische moleculen.
Chemici synthetiseren chemische verbindingen die in de natuur voorkomen om een beter begrip te krijgen van hun structuren. Synthese stelt chemici ook in staat om voor onderzoeksdoeleinden verbindingen te produceren die van nature niet ontstaan. In de industrie wordt synthese gebruikt om producten in grote hoeveelheden te maken.
Chemische verbindingen bestaan uit atomen van verschillende elementen, met elkaar verbonden door chemische bindingen. Een chemische synthese omvat meestal het verbreken van bestaande bindingen en de vorming van nieuwe. Bij de synthese van een complex molecuul kan een aanzienlijk aantal individuele reacties betrokken zijn, die in volgorde van beschikbare uitgangsmaterialen tot het gewenste eindproduct leiden. Elke stap omvat gewoonlijk een reactie op slechts één chemische binding in het molecuul.
Bij het plannen van de route van chemische synthese visualiseren chemici gewoonlijk het eindproduct en werken ze terug naar steeds eenvoudiger verbindingen. Voor veel verbindingen is het mogelijk alternatieve syntheseroutes vast te stellen. Welke daadwerkelijk worden gebruikt, hangt af van vele factoren, zoals de kosten en beschikbaarheid van uitgangsmaterialen, de hoeveelheid energie die nodig is om de reactie met een bevredigende snelheid te laten verlopen en de kosten voor het scheiden en zuiveren van de eindproducten. Bovendien helpt kennis van het reactiemechanisme en de functie van de chemische structuur (of het gedrag van de functionele groepen) om nauwkeurig de meest favoriete route te bepalen die naar het gewenste reactieproduct leidt.
Een doel bij het plannen van een chemische synthese is om reacties te vinden die slechts één deel van het molecuul beïnvloeden, terwijl andere delen ongewijzigd blijven. Een ander doel is om in een zo kort mogelijke tijd hoge opbrengsten van het gewenste product te produceren. Vaak concurreren reacties in een synthese, waardoor de opbrengst van een gewenst product afneemt. Concurrentie kan ook leiden tot de vorming van bijproducten die moeilijk te scheiden zijn van de hoofdproducten. Bij sommige industriële syntheses kan de vorming van bijproducten welkom zijn als de bijproducten commercieel bruikbaar zijn. Diëthylether is bijvoorbeeld een bijproduct van de grootschalige synthese van ethanol (ethylalcohol) uit ethyleen. Zowel de alcohol als de ether zijn waardevol en kunnen gemakkelijk worden gescheiden.
De reacties die betrokken zijn bij chemische syntheses hebben gewoonlijk, maar niet altijd, betrekking op ten minste twee verschillende stoffen. Sommige moleculen zullen alleen onder invloed van warmte in andere veranderen, terwijl andere reageren op blootstelling aan straling (bijvoorbeeld ultraviolet licht) of elektrische stroom. Wanneer twee of meer verschillende stoffen echter op elkaar inwerken, moeten ze dicht bij elkaar worden gebracht. Dit wordt meestal gedaan door de synthese uit te voeren met de elementen of verbindingen in hun vloeibare of gasvormige toestand. Waar de reactanten niet-vluchtige vaste stoffen zijn, wordt de reactie vaak in oplossing uitgevoerd.
De snelheid van een chemische reactie neemt in het algemeen toe met de temperatuur; chemische syntheses worden dus vaak bij verhoogde temperaturen uitgevoerd. De industriële synthese van salpeterzuur uit ammoniak en zuurstof wordt bijvoorbeeld uitgevoerd bij ongeveer 900 ° C (1650 ° F). Vaak zal verwarming de reactiesnelheid onvoldoende verhogen of de instabiliteit van een of meer reactanten verhindert de toepassing. In dergelijke gevallen worden katalysatoren – stoffen die een reactie versnellen of vertragen – gebruikt. Bij de meeste industriële processen worden katalysatoren gebruikt.
Sommige stoffen reageren zo snel en heftig dat alleen een zorgvuldige controle van de omstandigheden tot het gewenste product leidt. Wanneer ethyleengas wordt gesynthetiseerd tot polyethyleen, een van de meest voorkomende kunststoffen, komt er een grote hoeveelheid warmte vrij. Als dit vrijkomen niet op de een of andere manier wordt gecontroleerd – bijvoorbeeld door het reactorvat te koelen – ontleden de ethyleenmoleculen tot koolstof en waterstof.
Er zijn veel technieken ontwikkeld om de producten van chemische synthese te scheiden. Hierbij gaat het vaak om een faseverandering. Het product van een synthetische reactie lost bijvoorbeeld mogelijk niet op in een bepaald oplosmiddel, terwijl de uitgangsmaterialen dat wel doen. In dit geval slaat het product neer als een vaste stof en kan het door filtratie van het mengsel worden gescheiden.Als zowel de uitgangsmaterialen als de producten vluchtig zijn, is het wellicht mogelijk om ze door destillatie te scheiden.
Bepaalde chemische syntheses lenen zich gemakkelijk voor het gebruik van geautomatiseerde technieken. Automatische DNA-synthesizers (deoxyribonucleïnezuur) worden bijvoorbeeld veel gebruikt om specifieke eiwitsequenties te produceren.