Kemisk syntes
Kemisk syntes, konstruktionen av komplexa kemiska föreningar från enklare. Det är processen genom vilken många ämnen som är viktiga för vardagen erhålls. Den används på alla typer av kemiska föreningar, men de flesta synteser är av organiska molekyler.
Kemister syntetiserar kemiska föreningar som förekommer i naturen för att få en bättre förståelse för sina strukturer. Syntes gör det också möjligt för kemister att producera föreningar som inte bildas naturligt för forskningsändamål. Inom industrin används syntes för att göra produkter i stora mängder.
Kemiska föreningar består av atomer av olika element, sammanfogade av kemiska bindningar. En kemisk syntes involverar vanligtvis brytningen av befintliga bindningar och bildandet av nya. Syntes av en komplex molekyl kan involvera ett betydande antal individuella reaktioner som leder i sekvens från tillgängliga utgångsmaterial till önskad slutprodukt. Varje steg involverar vanligtvis reaktion vid endast en kemisk bindning i molekylen.
Vid planering av kemisk syntesväg visualiserar kemister vanligtvis slutprodukten och arbetar bakåt mot allt enklare föreningar. För många föreningar är det möjligt att etablera alternativa syntetiska vägar. De som faktiskt används beror på många faktorer, såsom kostnad och tillgänglighet för utgångsmaterial, mängden energi som behövs för att få reaktionen att fortsätta med en tillfredsställande hastighet och kostnaden för att separera och rena slutprodukterna. Dessutom hjälper kunskap om reaktionsmekanismen och funktionen hos den kemiska strukturen (eller funktionsgruppernas beteende) att exakt bestämma den mest gynnade vägen som leder till den önskade reaktionsprodukten.
Ett mål för att planera en kemisk syntes är att hitta reaktioner som bara påverkar en del av molekylen och lämnar andra delar oförändrade. Ett annat mål är att producera höga utbyten av den önskade produkten på så kort tid som möjligt. Ofta konkurrerar reaktioner i en syntes, vilket minskar utbytet av en önskad produkt. Konkurrens kan också leda till bildandet av biprodukter som kan vara svåra att skilja från de viktigaste. I vissa industriella synteser kan bildning av biprodukter vara välkommen om biprodukterna är kommersiellt användbara. Dietyleter är till exempel en biprodukt av storskalig syntes av etanol (etylalkohol) från eten. Både alkoholen och etern är värdefulla och kan enkelt separeras.
De reaktioner som är involverade i kemiska synteser involverar vanligtvis, men inte alltid, minst två olika ämnen. Vissa molekyler kommer att förändras till andra enbart under påverkan av värme, till exempel, medan andra reagerar vid exponering för strålning (t.ex. ultraviolett ljus) eller för elektrisk ström. Men där två eller flera olika ämnen interagerar måste de föras nära varandra. Detta görs vanligtvis genom att utföra synteserna med elementen eller föreningarna i deras flytande eller gasformiga tillstånd. Där reaktanterna är oflyktiga fasta ämnen utförs reaktionen ofta i lösning.
Hastigheten för en kemisk reaktion ökar vanligtvis med temperaturen; kemiska synteser utförs således ofta vid förhöjda temperaturer. Den industriella syntesen av salpetersyra från ammoniak och syre utförs till exempel vid cirka 900 ° C (1 650 ° F). Ofta kommer upphettning att öka reaktionshastigheten otillräckligt eller instabiliteten hos en eller flera reaktanter förhindrar applicering. I sådana fall används katalysatorer – ämnen som påskyndar eller bromsar en reaktion -. De flesta industriella processer innefattar användning av katalysatorer.
Vissa ämnen reagerar så snabbt och våldsamt att endast noggrann kontroll av förhållandena leder till den önskade produkten. När etylengas syntetiseras till polyeten, en av de vanligaste plasterna, frigörs en stor mängd värme. Om denna frisättning inte kontrolleras på något sätt – t.ex. genom att kyla reaktorkärlet – sönderdelas etylenmolekylerna till kol och väte.
Många tekniker har utvecklats för att separera produkterna av kemisk syntes. Dessa involverar ofta en fasförändring. Till exempel kan produkten av en syntetisk reaktion inte lösa sig i ett speciellt lösningsmedel medan utgångsmaterialen gör det. I detta fall kommer produkten att fällas ut som ett fast ämne och kan separeras från blandningen genom filtrering.Alternativt, om både utgångsmaterial och produkter är flyktiga, kan det vara möjligt att separera dem genom destillation.
Vissa kemiska synteser lämpar sig lätt för användning av automatiserade tekniker. Automatiska DNA-syntetiserare (deoxiribonukleinsyra) används ofta för att producera specifika proteinsekvenser.