Sintesi organica

Una sintesi totale è la sintesi chimica completa di molecole organiche complesse da precursori semplici, disponibili in commercio (petrolchimici) o naturali. In una sintesi lineare - spesso usata per strutture semplici - vengono eseguiti diversi passi uno dopo l'altro fino a quando la molecola è completa. I composti chimici prodotti in ogni passo sono solitamente chiamati intermedi sintetici. Per molecole più complesse, un approccio diverso può essere preferibile: la sintesi convergente comporta la preparazione individuale di diversi "pezzi" (intermedi chiave), che vengono poi combinati per formare il prodotto obiettivo.

Robert Burns Woodward, che ha ricevuto il premio Nobel per la chimica nel 1965 per diverse sintesi totali (per esempio, la sua sintesi della stricnina del 1954), è considerato il padre della moderna sintesi organica. Alcuni esempi recenti di sintesi totale includono la sintesi di Wender, Holton, Nicolaou e Danishefsky di Taxol.

Ogni passo di una sintesi comporta una reazione chimica, e i reagenti e le condizioni per ciascuna di queste reazioni devono essere progettati per dare una buona resa e un prodotto puro, con il minor lavoro possibile. Un metodo può già esistere in letteratura per fare uno dei primi intermedi sintetici, e questo metodo sarà di solito usato piuttosto che "cercare di reinventare la ruota". Tuttavia la maggior parte degli intermedi sono composti che non sono mai stati fatti prima. Questi saranno normalmente fatti usando metodi generali sviluppati da ricercatori di metodologia. Per essere utili, questi metodi devono dare alti rendimenti. Devono anche essere affidabili per una vasta gamma di substrati. Per le applicazioni pratiche, ulteriori requisiti includono standard industriali di sicurezza e purezza. La ricerca metodologica di solito coinvolge tre fasi principali: scoperta, ottimizzazione, e studi di portata e limiti. La scoperta richiede una vasta conoscenza ed esperienza delle reattività chimiche dei reagenti appropriati. L'ottimizzazione è quella in cui uno o due composti di partenza sono testati nella reazione sotto una grande varietà di condizioni di temperatura, solvente, tempo di reazione, ecc. I ricercatori provano diverse condizioni fino a trovare le condizioni migliori per la resa e la purezza del prodotto. Infine, i ricercatori cercano di estendere il metodo di sintesi a un'ampia gamma di diversi materiali di partenza, per trovarne la portata e i limiti. Le sintesi totali (vedi sopra) sono talvolta usate per evidenziare il nuovo metodo e dimostrare il suo valore in un'applicazione del mondo reale. Grandi industrie focalizzate soprattutto sui polimeri (e sulle plastiche) e sui prodotti farmaceutici hanno utilizzato questa ricerca.

La maggior parte dei prodotti naturali complessi sono chirali. Ogni enantiomero può avere una diversa bioattività. Le sintesi totali tradizionali miravano alle miscele racemiche, cioè come una miscela uguale di entrambi i possibili enantiomeri. La miscela racemica potrebbe poi essere separata tramite risoluzione chirale.

Nella seconda metà del ventesimo secolo, i chimici iniziarono a sviluppare metodi di catalisi asimmetrica e risoluzione cinetica. Queste reazioni potevano essere dirette a produrre un solo enantiomero piuttosto che una miscela racemica. I primi esempi includono l'epossidazione di Sharpless (K. Barry Sharpless) e l'idrogenazione asimmetrica (William S. Knowles e Ryōji Noyori). Per i loro risultati, questi lavoratori hanno condiviso il Premio Nobel per la Chimica nel 2001. Queste reazioni hanno dato ai chimici una scelta molto più ampia di molecole enantiomericamente pure per iniziare una sintesi organica. In precedenza si potevano usare solo materiali di partenza con enantiomeri naturali. Usando le tecniche pionieristiche di Robert Burns Woodward e altri nuovi metodi sintetici, i chimici sono diventati più capaci di fare molecole complesse senza racemizzazione indesiderata. Questo è chiamato stereocontrollo. Questo ha permesso di sintetizzare la molecola target finale come un enantiomero puro senza che fosse necessaria alcuna risoluzione. Queste tecniche sono chiamate sintesi asimmetriche.

Elias James Corey ha portato un approccio più formale alla progettazione di sintesi, basato sull'analisi retrosintetica, per il quale ha vinto il premio Nobel per la chimica nel 1990. In questo approccio, la ricerca è pianificata a ritroso dal prodotto, usando regole standard. I passi sono mostrati usando frecce retrosintetiche (disegnate come: =>), che in effetti significa "è fatto da". Sono stati scritti programmi per computer per progettare una sintesi basata su sequenze di generiche "mezze reazioni".