لطفا اندکی صبر کنید

سنتز در شیمی و انواع آن


یک سنتز شیمیایی با انتخاب ترکیباتی شناخته شده به عنوان واکنش‌‌دهنده شروع می‌شود. انواع مختلفی از واکنش‌های شیمیایی را می‌توان روی این ترکیبات انجام داد تا بتوان یک فرآورده خاص را سنتز کرد.

سنتز شیمیایی (Chemical Synthesis) برای انجام یک یا چند واکنش شیمیایی به منظور تولید یک یا چند فرآورده استفاده می‌شود.

یک سنتز شیمیایی با انتخاب ترکیباتی شناخته شده به عنوان واکنش‌‌دهنده شروع می‌شود. انواع مختلفی از واکنش‌های شیمیایی را می‌توان روی این ترکیبات انجام داد تا بتوان یک فرآورده خاص را سنتز کرد. برای این‌کار می‌توان از  چیزهای مختلفی استفاده کرد؛ از بالون ته گرد تا راکتورهای شیمیایی. لازم به ذکر است که بسیاری از واکنش‌ها، قبل از جداسازی محصول نهایی، نیاز به فرآیندهای آماده‌سازی دارند.

مقدار محصول نهایی در سنتز، موسوم به بازده واکنش (Reaction Yield) است و معمولا به صورت درصد بیان می‌شود. در بسیاری از سنتز‌های شیمیایی، ,واکنش‌هایی ناخواسته بوجود می‌آیند که به تولید محصولاتی به غیر از ماده مورد نظر منجر می‌شوند. به این نوع از واکنش‌ها، واکنش‌های فرعی‌ (Side Reactions) می‌گویند.

 

 

 

 

روش‌های مختلف سنتز

در سنتز، از استراتژی‌های مختلفی برای تولید یک محصول استفاده می‌کنند که در زیر به معرفی اجمالی برخی از آنان اشاره شده است:

  • واکنش‌های آبشار: (Cascade Reactions) در یک واکنش‌دهنده تنها، تبدیلات متعددی رخ می‌دهد که به تولید فرآورده منتهی شود.
  • واکنش‌های چندجزئی: (Multi-Component Reactions) تا ۱۱ واکنش مختلف، یک واکنش واحد را برای سنتز مواد تشکیل می‌دهند.
  • سنتز تلسکوپی (Telescopic Synthesis): بدون جداسازی محصولات واسط، یک واکنش‌دهنده تبدیلات متعددی را برای تولید فرآورده تجربه می‌کند.

سنتز آلی

سنتز آلی، بخش ویژه‌ای از سنتز شیمیایی است که به تولید و ساخت ترکیبات آلی می‌پردازد و به یکی از مهم‌ترین بخش‌های شیمی آلی تبدیل شده است. سنتز آلی در دو بخش اصلی مورد مطالعه و بررسی قرار می‌گیرد: سنتز جامع (Total Synthesis) و روش انجام سنتز‌ (Methodology)

سنتز معدنی

از سنتز معدنی و سنتز آلی-فلزی (Organometalllic) در آماده‌سازی ترکیباتی با منشا معدنی استفاده می‌شود. از نمونه‌های آن می‌توان به تهیه داروی ضد سرطان سیس‌پلاتین (Cisplatin) از پتاسیم تتراکلروپلاتینات (Potassium Tetrachloroplatinate) اشاره کرد.

سنتز جامع

سنتز جامع، سنتز کامل یک مولکول پیچیده آلی به کمک پریکرسرهای (پیش‌ماده) طبیعی و در دسترس است. در یک سنتز خطی (Linear Synthesis)، مراحل مختلفی به صورت پشت سر هم انجام می‌شوند تا به کمک آن بتوان مولکول‌هایی با ساختارهای ساده تولید کرد. ترکیباتی که در هر مرحله به تولید می‌رسند، واسط‌های سنتتیک (Synthetic Intermediates) نام دارند. برای مولکول‌های پیچیده‌تر، از سنتز همگرا (Convergent Synthesis) استفاده می‌شود که در آن، قطعات مختلفی از فرآورده نهایی به طور جداگانه سنتز و در نهایت در پایان سنتز، با یکدیگر جفت می‌شوند.

 

 

 

روش انجام سنتز

هر مرحله از سنتز شامل یک واکنش شیمیایی است. ریجنت‌ها و شرایط هر کدام از این واکنش‌ها به منظور بازدهی مناسب و حصول یک فرآورده خالص، باید به دقت طراحی شوند. علاوه‌ بر این، طراحی این واکنش‌ها باید به گونه‌ای باشد که پیچیدگی عملیاتی نداشته باشند. روش‌های متعددی برای تولید مواد واسط و رسیدن به ماده نهایی وجود دارند. حتی روش‌های ابتدایی و اولیه نیز در برخی موارد مورد استفاده قرار می‌گیرند اما معمولا محققانی هستند که به بررسی روش‌های تولید مواد می‌پردازند. برای این‌که این روش‌ها مفید باشند، باید شامل بازده بالا و همچنین، مناسب دامنه وسیعی از مواد باشند.

محققان معمولا از سه مرحله برای توسعه یک روش سنتز استفاده می‌کنند:

  • کشف: این مرحله نیازمند دانش وسیع در زمینه شیمی و ریجنت‌های واکنش‌های شیمی است.
  • بهینه‌سازی: در این بخش، یک یا دو جزء به عنوان شروع‌کننده واکنش مورد استفاده قرار می‌گیرند که تحت شرایط مختلف دما، حلال، زمان واکنش و… آزمایش می‌شوند تا شرایط بهینه برای بازده و خلوص مناسب مشخص شوند.
  • مطالعات اهداف و محدودیت‌ها: در این مرحله، گروه‌های تحقیقاتی بزرگ‌تری شروع به انجام عمل سنتز جامع می‌کنند تا این روش را در کاربردهای گسترده و حقیقی بکار بگیرند و محدودیت‌های آن را به عنوان یک روش سنتز مشخص کنند.

سنتز نامتقارن

بسیاری از فرآورده‌های طبیعی به صورت انانتیومر (Enantiomer) وجود دارند. به طور کلی، یک سنتز جامع، یک کمپلکس را به صورت مخلوط راسمیک (Racemic Mixture) بدست می‌دهد، یعنی مخلوطی که هر دو شکل انانتیومر را در خود داشته باشد. که در نهایت با روش‌های مختلفی، این مخلوط‌ها را از یکدیگر جدا می‌کنند.

در نیمه دوم قرن بیستم، محققان به توسعه روش‌هایی پرداختند که در نهایت به تولید تنها یک انانتیومر منجر شود و ماده حاصل، مخلوط راسمیک نباشد.

توسعه این واکنش‌ها در نهایت به شیمیدان‌ها در استفاده از واکنش‌دهنده‌ها کمک بسیاری کرد چرا که در گذشته مجبور بودند تنها از مولکول‌های طبیعی برای شروع واکنش استفاده کنند حال آن‌که در این روش‌ها از مولکول‌هایی خالص (به لحاظ شیمی فضایی) می‌توانند بهره بگیرند. به کمک روش‌هایی که توسعه داده شد، شیمیدان‌ها مولکول‌های پیچیده‌ای را سنتز کردند که مشکل راسمیک شدن نداشتند چراکه می‌توانستند ترکیبات را از نظر شیمی فضایی کنترل کنند. به این روش‌های سنتز که به تولید مواد با یک انانتیومر خالص منجر شد، سنتز نامتقارن (Asymmetric Synthesis) می‌گویند.

سنتز شیمیایی چند مرحله‌ای

سنتز شیمیایی مولکول‌های شامل کربن (کربوژن)، در طول قرن‌ها از موارد مورد علاقه دانشمندان مختلف بوده است. امروزه، سنتز کربوژن‌ها، استفاده از واکنش‌ها و ریجنت‌ها را با بیش از ۶۰ عنصر شامل می‌شود که بسیاری از آن‌ها حتی حالت تجاری نیز ندارند.

 

 

پیچیدگی مولکولی

از نگاه سنتز شیمیایی، آن‌چه که این فرآیند را دشوار می‌کند، پیچیدگی ساختار مولکولی است. عواملی که در توسعه یک سنتز دخیل هستند، بیشتر به فهم پیچیدگی ساختاری یک مولکول مرتبط می‌شوند که این عوامل در زیر آورده شده‌اند:

  • اندازه مولکول و عنصر
  • گروه عاملی
  • اتصال حلقوی (Cyclic Connectivity)
  • مرکز فضایی (Stereo Content)
  • واکنش‌پذیری شیمیایی
  • ناپایداری ساختار

علاوه بر این، عوامل دیگری نیز در توصیف یک مساله سنتزی دخالت دارند. به طور مثال، میزان پیچیدگی و نوظهور بودن مولکول‌های سنتزی نیز از جمله این فرآیندها به شمار می‌آیند. سنتز موفقیت‌آمیز یک مولکول بستگی به نوع تحلیل مساله برای توسعه روش مناسب و قابل دسترس آن دارد که معمولا شامل اتصال واسط‌های سنتزی توسط واکنش‌های مخلتف برای انجام تبدیلات درون‌مولکولی (Interconversions) است.

پیچیدگی مولکولی را می‌توان به عنوان خط مقدم یک سنتز دانست چراکه در بیشتر موارد، نتایج موفقیت‌آمیزی بدست نمی‌دهند و وقفه‌ای در روش‌های انجام آن بوجود می‌آورند. فهم چنین محدودیت‌هایی به توسعه شیمی مدرن و روش‌های جدید سنتز می‌انجامد.