Sinteza chimică
Sinteza chimică, construcția compușilor chimici complecși din cei mai simpli. Este procesul prin care se obțin multe substanțe importante pentru viața de zi cu zi. Se aplică tuturor tipurilor de compuși chimici, dar cele mai multe sinteze sunt de molecule organice.
Chimiștii sintetizează compuși chimici care apar în natură pentru a înțelege mai bine structurile lor. Sinteza permite, de asemenea, chimiștilor să producă compuși care nu se formează în mod natural în scopuri de cercetare. În industrie, sinteza este utilizată pentru a produce produse în cantitate mare.
Compușii chimici sunt alcătuite din atomi de diferite elemente, unite între ele prin legături chimice. O sinteză chimică implică de obicei ruperea legăturilor existente și formarea altora noi. Sinteza unei molecule complexe poate implica un număr considerabil de reacții individuale care conduc în ordine de la materiile prime disponibile la produsul final dorit. Fiecare etapă implică de obicei reacția la o singură legătură chimică din moleculă.
În planificarea căii de sinteză chimică, chimiștii vizualizează de obicei produsul final și lucrează înapoi către compuși din ce în ce mai simpli. Pentru mulți compuși, este posibil să se stabilească căi sintetice alternative. Cele utilizate efectiv depind de mulți factori, cum ar fi costul și disponibilitatea materiilor prime, cantitatea de energie necesară pentru ca reacția să se desfășoare la o rată satisfăcătoare și costul separării și purificării produselor finale. Mai mult, cunoașterea mecanismului de reacție și a funcției structurii chimice (sau a comportamentului grupurilor funcționale) ajută la determinarea cu acuratețe a căii cele mai favorizate care duce la produsul de reacție dorit.
Un obiectiv în planificarea unei sinteze chimice este de a găsi reacții care vor afecta doar o parte a moleculei, lăsând alte părți neschimbate. Un alt obiectiv este de a produce randamente ridicate ale produsului dorit într-un timp cât mai scurt posibil. Adesea, reacțiile într-o sinteză concurează, reducând randamentul unui produs dorit. Concurența poate duce, de asemenea, la formarea de produse secundare, care pot fi dificil de separat de cele principale. În unele sinteze industriale, formarea de produse secundare poate fi binevenită dacă produsele secundare sunt utile din punct de vedere comercial. Dietil eterul, de exemplu, este un produs secundar al sintezei pe scară largă a etanolului (alcool etilic) din etilenă. Atât alcoolul, cât și eterul sunt valoroși și pot fi separați cu ușurință.
Reacțiile implicate în sinteze chimice implică de obicei, dar nu întotdeauna, cel puțin două substanțe diferite. Unele molecule se vor transforma în altele numai sub efectul căldurii, de exemplu, în timp ce altele reacționează la expunerea la radiații (de exemplu, lumină ultravioletă) sau la curent electric. Cu toate acestea, în cazul în care două sau mai multe substanțe diferite interacționează, acestea trebuie aduse în apropiere una de alta. Acest lucru se face de obicei prin efectuarea sintezelor cu elementele sau compușii în starea lor lichidă sau gazoasă. Acolo unde reactanții sunt solizi involatili, reacția este adesea efectuată în soluție.
Viteza unei reacții chimice crește în general cu temperatura; sintezele chimice sunt astfel deseori efectuate la temperaturi ridicate. Sinteza industrială a acidului azotic din amoniac și oxigen, de exemplu, se efectuează la aproximativ 900 ° C (1.650 ° F). Frecvent, încălzirea va crește rata de reacție insuficient sau instabilitatea unuia sau mai multor reactanți împiedică aplicarea. În astfel de cazuri, se utilizează catalizatori – substanțe care accelerează sau încetinesc o reacție -. Majoritatea proceselor industriale implică utilizarea catalizatorilor.
Unele substanțe reacționează atât de rapid și violent încât numai controlul atent al condițiilor va duce la produsul dorit. Când etilena gazului este sintetizată în polietilenă, unul dintre cele mai comune materiale plastice, se eliberează o cantitate mare de căldură. Dacă această eliberare nu este controlată într-un fel – de exemplu, prin răcirea vasului reactorului – moleculele de etilenă se descompun în carbon și hidrogen.
Multe tehnici au fost dezvoltate pentru a separa produsele de sinteză chimică. Acestea implică adesea o schimbare de fază. De exemplu, produsul unei reacții sintetice s-ar putea să nu se dizolve într-un anumit solvent, în timp ce materialele de pornire o fac. În acest caz, produsul va precipita sub formă de solid și poate fi separat de amestec prin filtrare.Alternativ, dacă atât materiile prime, cât și produsele sunt volatile, poate fi posibilă separarea lor prin distilare.
Anumite sinteze chimice se pretează ușor la utilizarea tehnicilor automate. Sintetizatoarele automate de ADN (acid dezoxiribonucleic), de exemplu, sunt utilizate pe scară largă pentru a produce secvențe de proteine specifice.