Organische Synthese

Eine Totalsynthese ist die vollständige chemische Synthese komplexer organischer Moleküle aus einfachen, kommerziell erhältlichen (petrochemischen) oder natürlichen Vorläufern. Bei einer linearen Synthese - oft für einfache Strukturen verwendet - werden mehrere Schritte nacheinander durchgeführt, bis das Molekül vollständig ist. Die in jedem Schritt hergestellten chemischen Verbindungen werden gewöhnlich als synthetische Zwischenprodukte bezeichnet. Bei komplexeren Molekülen kann ein anderer Ansatz vorzuziehen sein: Bei der konvergenten Synthese werden mehrere "Stücke" (Schlüsselzwischenprodukte) einzeln hergestellt, die dann zum Zielprodukt kombiniert werden.

Robert Burns Woodward, der 1965 den Nobelpreis für Chemie für mehrere Totalsynthesen (z.B. 1954 für seine Strychnin-Synthese) erhielt, gilt als Vater der modernen organischen Synthese. Einige Beispiele aus jüngster Zeit für die Totalsynthese sind die Taxol-Synthese von Wender, Holton, Nicolaou und Danishefsky.

Jeder Schritt einer Synthese beinhaltet eine chemische Reaktion, und die Reagenzien und Bedingungen für jede dieser Reaktionen müssen so gestaltet werden, dass sie eine gute Ausbeute und ein reines Produkt mit möglichst wenig Arbeitsaufwand ergeben. Möglicherweise gibt es in der Literatur bereits eine Methode zur Herstellung eines der frühen synthetischen Zwischenprodukte, und diese Methode wird in der Regel eher angewandt, als dass man "versucht, das Rad neu zu erfinden". Die meisten Zwischenprodukte sind jedoch Verbindungen, die noch nie zuvor hergestellt wurden. Diese werden normalerweise mit allgemeinen Methoden hergestellt, die von Methodenforschern entwickelt wurden. Um nützlich zu sein, müssen diese Methoden hohe Ausbeuten liefern. Sie müssen auch für ein breites Spektrum von Substraten zuverlässig sein. Für praktische Anwendungen gelten zusätzliche Anforderungen wie industrielle Sicherheits- und Reinheitsstandards. Die Methodenforschung umfasst in der Regel drei Hauptphasen: Entdeckung, Optimierung und Studien zu Umfang und Grenzen. Die Entdeckung erfordert umfangreiche Kenntnisse und Erfahrungen mit chemischen Reaktivitäten geeigneter Reagenzien. Bei der Optimierung werden eine oder zwei Ausgangsverbindungen in der Reaktion unter einer Vielzahl von Bedingungen wie Temperatur, Lösungsmittel, Reaktionszeit usw. getestet. Die Forscher probieren verschiedene Bedingungen aus, bis sie die besten Bedingungen für Produktausbeute und Reinheit finden. Schließlich versuchen die Forscher, die Synthesemethode auf eine breite Palette verschiedener Ausgangsmaterialien auszudehnen, um ihren Anwendungsbereich und ihre Grenzen zu finden. Die Totalsynthese (siehe oben) wird manchmal verwendet, um die neue Methode hervorzuheben und ihren Wert in einer realen Anwendung zu demonstrieren. Bedeutende Industriezweige, die sich besonders auf Polymere (und Kunststoffe) und Pharmazeutika konzentrieren, haben diese Forschung genutzt.

Die meisten komplexen Naturprodukte sind chiral. Jedes Enantiomer kann eine unterschiedliche Bioaktivität aufweisen. Traditionelle Totalsynthesen zielten auf racemische Mischungen ab, d.h. als gleichwertige Mischung der beiden möglichen Enantiomere. Das racemische Gemisch kann dann durch chirale Trennung getrennt werden.

In der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts begannen Chemiker, Methoden der asymmetrischen Katalyse und kinetischen Auflösung zu entwickeln. Diese Reaktionen konnten so gesteuert werden, dass nur ein einziges Enantiomer statt eines racemischen Gemisches produziert werden konnte. Zu den frühen Beispielen gehören die Sharpless-Epoxidation (K. Barry Sharpless) und die asymmetrische Hydrierung (William S. Knowles und Ryōji Noyori). Für ihre Leistung erhielten diese Arbeiter 2001 den Nobelpreis für Chemie. Solche Reaktionen gaben den Chemikern eine viel größere Auswahl an enantiomerenreinen Molekülen, um eine organische Synthese zu beginnen. Zuvor konnten nur natürliche enantiomere Ausgangsstoffe verwendet werden. Dank der von Robert Burns Woodward eingeführten Techniken und anderer neuer Synthesemethoden konnten Chemiker nun komplexe Moleküle ohne unerwünschte Razemisierung herstellen. Dies wird als Stereokontrolle bezeichnet. Dadurch konnte das endgültige Zielmolekül als ein einziges reines Enantiomer synthetisiert werden, ohne dass eine Auflösung erforderlich war. Solche Techniken werden als asymmetrische Synthese bezeichnet.

Elias James Corey brachte einen formelleren Ansatz für das Synthesedesign, der auf der retrosynthetischen Analyse basiert und für den er 1990 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Bei diesem Ansatz wird die Forschung rückwärts vom Produkt aus geplant, wobei Standardregeln verwendet werden. Die Schritte werden durch retrosynthetische Pfeile (gezeichnet als: =>) dargestellt, was in Wirklichkeit "hergestellt aus" bedeutet. Computerprogramme wurden geschrieben, um eine Synthese zu entwerfen, die auf Sequenzen von generischen "Halb-Reaktionen" basiert.