Synteza chemiczna
Synteza chemiczna, budowa złożonych związków chemicznych z prostszych. Jest to proces, w którym uzyskuje się wiele substancji ważnych w życiu codziennym. Stosuje się go do wszystkich typów związków chemicznych, ale większość syntez to cząsteczki organiczne.
Chemicy syntetyzują związki chemiczne występujące w naturze, aby lepiej zrozumieć ich strukturę. Synteza umożliwia również chemikom wytwarzanie związków, które nie powstają naturalnie do celów badawczych. W przemyśle synteza jest wykorzystywana do wytwarzania produktów w dużych ilościach.
Związki chemiczne składają się z atomów różnych pierwiastków połączonych ze sobą wiązaniami chemicznymi. Synteza chemiczna zwykle polega na zerwaniu istniejących wiązań i utworzeniu nowych. Synteza złożonej cząsteczki może obejmować znaczną liczbę indywidualnych reakcji prowadzących w kolejności od dostępnych materiałów wyjściowych do pożądanego produktu końcowego. Każdy etap zwykle obejmuje reakcję tylko na jednym wiązaniu chemicznym w cząsteczce.
Planując drogę syntezy chemicznej, chemicy zwykle wizualizują produkt końcowy i pracują wstecz w kierunku coraz prostszych związków. Dla wielu związków możliwe jest ustalenie alternatywnych dróg syntezy. Te faktycznie stosowane zależą od wielu czynników, takich jak koszt i dostępność materiałów wyjściowych, ilość energii potrzebnej do przeprowadzenia reakcji z zadowalającą szybkością oraz koszt oddzielania i oczyszczania produktów końcowych. Ponadto znajomość mechanizmu reakcji i funkcji struktury chemicznej (lub zachowania grup funkcyjnych) pomaga dokładnie określić najbardziej preferowaną ścieżkę prowadzącą do pożądanego produktu reakcji.
Celem planowania syntezy chemicznej jest znalezienie reakcji, które wpłyną tylko na jedną część cząsteczki, pozostawiając niezmienione inne części. Kolejnym celem jest uzyskanie wysokiej wydajności żądanego produktu w możliwie krótkim czasie. Często reakcje w syntezie konkurują ze sobą, zmniejszając wydajność pożądanego produktu. Konkurencja może również prowadzić do powstawania produktów ubocznych, które mogą być trudne do oddzielenia od głównego. W niektórych syntezach przemysłowych tworzenie produktów ubocznych może być pożądane, jeśli są one przydatne handlowo. Na przykład eter dietylowy jest produktem ubocznym wielkoskalowej syntezy etanolu (alkoholu etylowego) z etylenu. Zarówno alkohol, jak i eter są cenne i można je łatwo rozdzielić.
Reakcje zachodzące w syntezach chemicznych zwykle, ale nie zawsze, obejmują co najmniej dwie różne substancje. Niektóre cząsteczki zmieniają się w inne wyłącznie pod wpływem ciepła, podczas gdy inne reagują na promieniowanie (np. Światło ultrafioletowe) lub na prąd elektryczny. Jednak gdy dwie lub więcej różnych substancji oddziałuje ze sobą, należy je zbliżyć do siebie. Odbywa się to zwykle poprzez przeprowadzanie syntez z pierwiastkami lub związkami w stanie ciekłym lub gazowym. Tam, gdzie reagenty są nielotnymi ciałami stałymi, reakcję często prowadzi się w roztworze.
Szybkość reakcji chemicznej zwykle rośnie wraz z temperaturą; syntezy chemiczne są zatem często przeprowadzane w podwyższonych temperaturach. Na przykład przemysłowa synteza kwasu azotowego z amoniaku i tlenu jest prowadzona w temperaturze około 900 ° C (1650 ° F). Często ogrzewanie w niewystarczającym stopniu zwiększa szybkość reakcji lub niestabilność jednego lub więcej reagentów uniemożliwia zastosowanie. W takich przypadkach stosuje się katalizatory – substancje przyspieszające lub spowalniające reakcję. Większość procesów przemysłowych wymaga użycia katalizatorów.
Niektóre substancje reagują tak szybko i gwałtownie, że tylko uważna kontrola warunków prowadzi do uzyskania pożądanego produktu. Kiedy gaz etylenowy jest syntetyzowany do polietylenu, jednego z najpowszechniejszych tworzyw sztucznych, wydziela się duża ilość ciepła. Jeśli to uwalnianie nie jest w jakiś sposób kontrolowane – np. Przez chłodzenie naczynia reaktora – cząsteczki etylenu rozkładają się na węgiel i wodór.
Opracowano wiele technik oddzielania produktów syntezy chemicznej. Często wiąże się to ze zmianą fazy. Na przykład produkt reakcji syntezy może nie rozpuszczać się w określonym rozpuszczalniku, podczas gdy materiały wyjściowe tak. W takim przypadku produkt wytrąci się jako ciało stałe i można go oddzielić od mieszaniny przez filtrację.Alternatywnie, jeśli zarówno materiały wyjściowe, jak i produkty są lotne, można je oddzielić przez destylację.
Niektóre syntezy chemiczne nadają się łatwo do zastosowania technik automatycznych. Na przykład automatyczne syntezatory DNA (kwasu dezoksyrybonukleinowego) są szeroko stosowane do produkcji określonych sekwencji białek.