Organische synthese

Een totaalsynthese is de volledige chemische synthese van complexe organische moleculen uit eenvoudige, in de handel verkrijgbare (petrochemische) of natuurlijke precursoren. In een lineaire synthese - die vaak voor eenvoudige structuren wordt gebruikt - worden verschillende stappen na elkaar uitgevoerd totdat het molecuul compleet is. De chemische verbindingen die in elke stap worden gemaakt, worden gewoonlijk synthetische tussenproducten genoemd. Voor complexere moleculen kan een andere aanpak de voorkeur verdienen: bij convergente synthese worden verschillende "stukken" (belangrijke tussenproducten) afzonderlijk bereid, die vervolgens worden gecombineerd om het doelproduct te vormen.

Robert Burns Woodward, die in 1965 de Nobelprijs voor scheikunde ontving voor verschillende totaalsynthesen (bijvoorbeeld zijn synthese van strychnine in 1954), wordt beschouwd als de vader van de moderne organische synthese. Enkele hedendaagse voorbeelden van totaalsynthese zijn de synthese van Taxol door Wender, Holton, Nicolaou en Danishefsky.

Elke stap van een synthese omvat een chemische reactie, en de reagentia en omstandigheden voor elk van deze reacties moeten zo worden ontworpen dat met zo weinig mogelijk werk een goede opbrengst en een zuiver product worden verkregen. Het is mogelijk dat er in de literatuur al een methode bestaat voor het maken van een van de eerste synthetische tussenproducten, en deze methode zal dan meestal worden gebruikt in plaats van te proberen "het wiel opnieuw uit te vinden". De meeste tussenproducten zijn echter verbindingen die nog nooit eerder zijn gemaakt. Deze zullen normaliter worden gemaakt met behulp van algemene methoden die door methodologische onderzoekers zijn ontwikkeld. Om bruikbaar te zijn, moeten deze methoden een hoog rendement opleveren. Zij moeten ook betrouwbaar zijn voor een breed scala van substraten. Voor praktische toepassingen gelden aanvullende eisen, zoals industriële normen voor veiligheid en zuiverheid. Methodologisch onderzoek omvat gewoonlijk drie hoofdfasen: ontdekking, optimalisering, en onderzoek naar de reikwijdte en beperkingen. De ontdekking vereist een uitgebreide kennis van en ervaring met chemische reactiviteiten van geschikte reagentia. Bij optimalisatie worden één of twee uitgangsstoffen in de reactie getest onder zeer uiteenlopende omstandigheden qua temperatuur, oplosmiddel, reactietijd, enz. Onderzoekers proberen verschillende condities uit totdat zij de beste condities vinden voor productopbrengst en zuiverheid. Tenslotte proberen onderzoekers de synthesemethode uit te breiden tot een breed scala van verschillende uitgangsmaterialen, om de reikwijdte en beperkingen ervan te achterhalen. Totaalsynthesen (zie boven) worden soms gebruikt om de nieuwe methode onder de aandacht te brengen en de waarde ervan in een reële toepassing aan te tonen. Grote industrieën die zich vooral richten op polymeren (en kunststoffen) en op farmaceutica hebben van dit onderzoek gebruik gemaakt.

De meeste complexe natuurlijke producten zijn chiraal. Elk enantiomeer kan een verschillende bioactiviteit hebben. Traditionele totaalsyntheses waren gericht op racemische mengsels, d.w.z. als een gelijk mengsel van beide mogelijke enantiomeren. Het racemische mengsel kan dan worden gescheiden via chirale resolutie.

In de tweede helft van de twintigste eeuw begonnen chemici methoden te ontwikkelen voor asymmetrische katalyse en kinetische oplossing. Deze reacties kunnen zodanig worden gestuurd dat er slechts één enantiomeer ontstaat in plaats van een racemisch mengsel. Vroege voorbeelden zijn Sharpless epoxidatie (K. Barry Sharpless) en asymmetrische hydrogenering (William S. Knowles en Ryōji Noyori). Voor hun prestatie kregen deze onderzoekers in 2001 de Nobelprijs voor scheikunde. Dergelijke reacties gaven chemici een veel ruimere keuze aan enantiomerisch zuivere moleculen om een organische synthese mee te beginnen. Voorheen konden alleen natuurlijke enantiomere uitgangsmaterialen worden gebruikt. Met behulp van technieken van Robert Burns Woodward en andere nieuwe synthesemethoden werden chemici beter in staat om complexe moleculen te maken zonder ongewenste racemisatie. Dit wordt stereocontrole genoemd. Hierdoor kon het uiteindelijke doelmolecuul als één zuiver enantiomeer worden gesynthetiseerd zonder dat enige resolutie nodig was. Dergelijke technieken worden asymmetrische synthese genoemd.

Elias James Corey bracht een meer formele benadering van het syntheseontwerp, gebaseerd op retrosynthetische analyse, waarvoor hij in 1990 de Nobelprijs voor scheikunde won. In deze benadering wordt het onderzoek achterwaarts van het product gepland, met gebruikmaking van standaardregels. De stappen worden weergegeven met retrosynthetische pijlen (getekend als: =>), wat in feite betekent "wordt gemaakt uit". Er zijn computerprogramma's geschreven voor het ontwerpen van een synthese op basis van opeenvolgingen van generieke "halfreacties".