Сегодня можно часто услышать различные непонятные на первый взгляд словосочетания, например "синхрофазотрон", "ответный генератор", "химический синтез". Этот список можно продолжать до бесконечности. Например, что такое химический синтез? Если сказать просто, то химический синтез – это процесс построения или создания сложных молекул из более простых, а также получение химических соединений физическими и химическими методами.
Различают два вида синтеза, которые определяются в зависимости от природы продукта, – это органический и неорганический синтез. Обратите внимание: в органическом синтезе конечный результат химической реакции может быть более простым веществом, чем его исходное соединение.
Первый раз в химии слово "синтез" было использовано римским алхимиком Галадиеном. Впервые доказал возможность синтеза органических веществ, которые находятся вне живого организма, русский химик Зинин Николай Николаевич.
Не стоит путать термины "искусственный" и "синтетический". Например, синтетические волокна – это нейлон, капрон и т. д., искусственные волокна – это асбестовые, вискозное волокно и др. Искусственная кожа – это материал, который имеет внешний вид или свойства выделанной кожи зверей. Синтетическая кожа – это выращенная в лабораторных условиях пленка, которая подобна коже.
Развитие органического синтеза – это возможность получения разнообразных активных веществ, которые используются в таких направлениях, как сельское хозяйство, медицина, парфюмерия, пищевая промышленность и т. д.
Совершенствование синтетических методов дало возможность получать многие необходимые химические вещества в промышленных масштабах. В органической химии это может быть синтез аммиака, соды, серной и азотной кислоты, а также других соединений.
В последнее время налажено производство продуктов тонкого органического синтеза и органических веществ, которые могут быть использованы в разных областях химической промышленности.
Огромное значение имеет химический синтез белков и полипептидов. Например, многим необходимые белковые гормоны – вазопрессин и инсулин, сегодня получают синтетическим путем.
Практическое применение имеют пептиды группы пептидов мозга и лейцин-энкефалин, которые могут оказывать на мозг такое же воздействие, как морфий, но эти препараты не вызывают привыкания.
Cтраница 1
Химический синтез самым надежным образом подкрепляет справедливость сказанного. А именно, щелочная часть селитры, отделенная вспышкою с углем от кислоты, по прилитии к ией спирта селитры 7 снова соединяется с ним и при кристаллизации дает чистейшую селитру, со всеми ее свойствами. Если вместо щелочи селитры взять щелочную соль 8, приготовленную из золы деревьев, особенно более твердых, и соединить ее с селитряным спиртом, то также образуется истинная селитра.
Химический синтез в реагирующей газовой смеси проводят также с использованием лазерного нагрева.
Химический синтез широко используется для получения различных искусственных заменителей: синтетического каучука, синтетического спирта, искусственного волокна, пластических масс, красителей.
Химические синтезы в термической плазме могут протекать последовательно в три стадии: 1) генерация плазмы; 2) химическая реакция и 3) закалка, как схематически представлено на рис. IX. Обычно эти стадии длятся миллисекунды.
Химический синтез поливариантен, однако во всех случаях связан с получением рацемических смесей, которые затем необходимо разделять на оптически активные стереоизомеры.
Химический синтез имеет преимущество, когда надо заменить на дейтерий один из нескольких равноценных атомов водорода, потому что псе они участвуют в обменной реакции.
Химические синтезы, индуцируемые действием ионизирующих излучений.
Химический синтез означает следующее: предположим, вы придумали сложное химическое соединение и хотите его создать.
Химический синтез, по выражению академика А. Н. Несмеянова, является стратегической задачей химии, и поэтому развитие работ в этой области, и в частности по получению соединений со смешанными анионами, весьма перспективно.
Химический синтез пептидов, начатый фундаментальными исследованиями Эмиля Фишера и Куртиуса, достиг значительного прогресса благодаря все возрастающей потребности в пептидах с определенным строением. Последние могут служить в качестве контрольных или модельных образцов при анализе продуктов неполного гидролиза белка, при изучении протеолитических ферментов и при выяснении тонкой структуры пептидных цепей в белках.
Химический синтез полимеров с заданной последовательностью мономерных звеньев может быть очень сильно облегчен присоединением одного конца растущей полимерной цепи к нерастворимой подложке. При этом очистка полимера после каждой стадии химической реакции может легко достигаться фильтрованием. Твердофазный синтез полинуклеотидов не был столь успешен, как твердофазный синтез полипептидов, в основном из-за трудностей в достижении количественных выходов на последовательных стадиях синтеза. Наиболее полезными реагентами для создания межнук-леотидной связи являются аренсульфонилхлориды, хотя для достижения максимальных выходов необходимо обеспечение безводных условий.
Химический синтез пептидов чрезвычайно важен, тем более что разработанные для этого методы могут быть применены также для синтеза белков. Между первым получением пептида Фишером и Фурне (глицилгли-цин, 1901 г.) и автоматическим синтезом полипептидов и белков в наше время лежит три четверти века интенсивного развития органической химии. Разработаны многочисленные методы направленного синтеза пептидов. Обсуждаются также проблемы рацемизации, стратегии и тактики пептидного синтеза, принципы образования циклических пептидов. В конце главы помещен обстоятельный обзор важнейших пептидов, встречающихся в природе, причем наряду с описанием соединений и получением их с помощью химического синтеза уделяется внимание связи строения и действия.
Химический синтез гомополинуклеотндов осуществляется легче, чем синтез полимера из разных нуклеотидо в с определенной последовательностью.
Химический синтез полипептидов и белков имеет большое теоретическое и практическое применение. Пептидные модели широко используются для изучения белок-белковых и белково-нуклеиновых взаимодействий. Некоторые гормоны являются пептидами и необходимы в больших количествах для медицинских целей. Некоторые из них, а именно инсулин и вазопрессин, были описаны в § 2.1. Огромный интерес к синтетическим пептидам возник, когда открыли большую группу пептидов мозга. Первыми были открыты метионин-энкефалин Туг-Gly - Gly-The-Met и лейцин-энкефалин Туг-Gly - Gly-Phe-Leu. Эти два пептида связываются с теми же мозговыми рецепторами, что и опиаты, например морфин. Таким образом, их можно использовать вместо морфина в качестве анальгетика. Основное достоинство этих пептидов заключается в том, что опасность привыкания к ним существенно ниже, чем к морфину.
Химический синтез фитохинона (Kj) осуществляют методом конденсации 2-метил - 1 4-нафтогидрохинона с фитолом в среде диоксана, при этом образуется 2-метил - 3-фитил - 1 4-нафтогидрохинон. После очистки от исходного 2-ме-тил - нафтогидрохинона выделяют К-гидрохинон и в результате окисления получают фитохинон.
Синтез органических и неорганических соединений
В последние десятилетия активизировались исследования на стыке смежных отраслей естествознания - химии металлоорганических и бионеорганических соединений, химии твердого тела, биогеохимии и др. Неорганические элементы и соединения, последнего времени, играют важную роль в живых системах. Живые системы нельзя считать полностью чисто органическими.
Они весьма чувствительны к ионам металлов почти всей периодической системы элементов Менделеева. Некоторые ионы принимают участие в таких жизненно важных процессах, как связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле, марганец в фотосистеме, железо в ферродоксине, медь во фталоцианине), обмен электрическими импульсами между клетками (кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В12) и др.
Важнейший предмет изучения быстро развивающейся неорганической химии биосистем - строение ближайшего и дальнего окружения атомов металлов и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кислорода и других факторов.
Быстро развивается еще одна отрасль - химия элементоорганических соединений. Для исследования сложнейших структур и связей таких соединений применяются новейшие методы спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство соединений со сложной структурой. Пример таких соединений - синтезированный ферроцен - вещество, атомы железа которого расположены между двумя плоскими кольцами.
Химики-металлоорганики стремятся создать новые катализаторы для фиксации азота, т. е. для превращения молекулярного азота N2 в аммиак NH3 - исходный продукт для производства удобрений. Одно из важных достижений - синтез соединений, способных избирательно взаимодействовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и представляют практический интерес. Например, насыщенные углеводороды относительно инертны, не содержат двойных или тройных углерод-углеродных связей. Недавно синтезированы соединения родия и иридия, содержащие фосфины (PR3), или карбинилы, и другие соединения, которые способны расщеплять связи С-Н в метане и циклопропане. При сочетании такой важной реакции синтеза с другими видами превращений можно наладить массовое производство насыщенных углеводородов - ценнейшего промышленного сырья. Таким способом можно осуществить прямое превращение метана в метанол - метиловый спирт - важнейшее сырье для производства многих химических веществ.
С участием металлоорганических соединений осуществляются важные промежуточные стадии многих органических реакций. Данные соединения богаты электронами, поэтому в природе они играют роль посредника во многих процессах переноса электронов.
Сравнительно новая отрасль химической науки - химия композиционных структур - позволила синтезировать из двух или более веществ композиты, свойства которых превосходят свойства каждого из них. Например, синтезированы и производятся неметаллические проводники из чередующихся слоев, многослойная керамика для соединения полупроводниковых схем. Другой интересный новый класс материалов - композиты на сверхтонких волокнах. Тонкие волокна толщиной 50-100 нм (тоньше человеческого волоса) существенно изменяют свойства вещества, в котором они равномерно распределены. Одна из главных задач химии композитов - изучение взаимодействия компонентов в таких сложных композиционных системах.
Селективный и фотохимический синтез
Одна из важнейших задач органической химии - достижение селективности, которая соответствует строго определенным структурным изменениям в молекуле. Для решения такой довольно трудной задачи нужно изучить реакционную способность реагентов для каждого типа связи - хемоселективность, создать при взаимодействии реагентов их правильную ориентацию - региоселективность и заданную периодическую пространственную конфигурацию - стереоселективность. Например, синтез адамантана С10Н14 дает представление о том, как можно контролировать все данные факторы. С10Н14 - уникальная молекула, представляющая собой фрагмент структуры алмаза, содержащей 10 углеродных атомов. Впервые адамантан удалось получить путем очень трудоемкого многостадийного синтеза с выходом только 2,4%. Благодаря последним экспериментальным исследованиям адамантан синтезируется в одну стадию и с выходом 75%.
Широкое распространение получила реакция циклоприсоединения с образованием пятичленных циклов, применяющихся для синтеза самых различных соединений - от новых электропроводящих материалов до лекарственных препаратов, например, антибиотиков и противоопухолевых средств. Так, замыкание цикла на радиевом катализаторе является ключевой стадией в синтезе тиенамицина, в котором пятичленный цикл содержит атом азота. Конечный продукт оказался эффективным, подобным пенициллину, средством против инфекционных болезней.
Фотохимический синтез основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекулы существенно зависят от свойств поглощенного света, при котором например, константа диссоциации кислот изменяет на 5-10%, окислительные и восстановительные процессы активизируются и даже химически инертные вещества могут стать реакционноспособными.
В результате фотохимического синтеза получены многие биологически активные соединения, например, алкалоид атизин, несколько антибиотиков, провитамин D и др. Активность фотохимического синтеза в значительной степени зависит от длины волны возбуждающего света и температуры. Так, при уменьшении длины волны всего лишь на 1% - с 302,5 до 300,0 нм - выход провитамина Дз увеличивается вдвое, а при снижении температуры синтеза до 21°С - вчетверо.
Биосинтез
Среди природных веществ есть регуляторы роста растений и насекомых, органические соединения, используемые насекомыми в качестве средств коммуникации, пестициды, антибиотики, витамины и многие целебные вещества. Природное соединение сначала необходимо обнаружить, затем выделить его химическим путем, потом определить его структуру и свойства и, наконец, произвести заданный синтез.
Часто химики стремятся получить только одну нужную форму из двух, являющихся зеркальным отражением друг друга. Каждый атом углерода, с которым связаны различные группы атомов, порождает пару симметричных зеркальных структур и называется хиральным атомом или хиральным центром. Характерный пример выделения только одной зеркальной формы - синтез антибиотиков. В природе встречается около 50 соединений подобного типа, среди них самое известное - монензин, продуцируемый штаммом бактерий. Антибиотики такого типа (монензин, лазалоцид, салиномицин) широко применяются для борьбы с инфекционными заболеваниями в бройлерном производстве. В США ежегодно продают примерно на 50 млн. долл. монензина. Монензин включает 26 атомов углерода, 17 хиральных центров, что означает возможность существования 217 различных стереоизомеров. Поэтому для осуществления синтеза монензина необходимы высокостереоселективные реакции.
Производство монензина и его структурных аналогов - крупное достижение современного биосинтеза.
Важным средством экспериментального изучения биосинтеза стало применение изотопных меток для обычных элементов, таких как изотопы углерода 13С и 14С, водорода 2Н и ЗH, азота 15N и кислорода 17О. Природный изотоп в определенном положении молекулы реагента замещают на изотопную метку, и после реакции определяют место расположения данной метки в молекуле продукта реакции.
Для чего применяется метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Такой метод позволил определить схему биосинтеза сильных ядов, вырабатываемых грибами, которые поражают зерно и другие продовольственные товары.
При исследовании строения биополимеров - гигантских молекул белков и нуклеиновых кислот, синтезируемых живыми организмами, возникают те же проблемы, что и при изучении природных соединений с меньшей молекулярной массой. Белки выполняют различные биологические функции: участие в пищеварении, транспорт кислорода в крови, сокращение мышечных волокон, защита от вирусов и бактерий с помощью антител и т. п.
Сложная пространственная форма белков во многом определяет их биологические функции.
Так, молекула коллагена - белка, придающего прочность коже и костям, - имеет форму стержня. Антитела представляют собой молекулы с выемками Y-образной формы, которые заполняются молекулами чужеродных веществ и служат для запуска реакций, обеспечивающих их эффективное обезвреживание.
Белки - высокодинамические системы, которые при осуществлении биологических функций способны менять форму. Например, свет вызывает изменение формы родопсина - белка сетчатки глаза, что и является первичной стадией зрительного восприятия. Такое изменение происходит в течение менее одной миллиардной доли секунды. Подобные процессы в молекулах белков обнаруживаются с помощью импульсных лазеров.
Химический синтез - в узком смысле это процесс создания или построения сложных молекул из более простых. В широком смысле - получение химических соединений химическими и физическими методами. В зависимости от природы продукта синтез может быть органическим или неорганическим. Следует отметить, что в органическом синтезе, продуктом химической реакции может являться и более простое вещество, чем одно из исходных соединений . Впервые термин «синтез» в химии был употреблен приблизительно в 121 году н. э. знаменитым римским алхимиком Галадиеном. Понятие синтеза в современном смысле этого слова ввёл немецкий химик Герман Кольбе .
Впервые синтезировал и тем самым доказал возможность синтеза органических веществ вне живого организма (в лабораторных условиях) русский химик-органик всесторонне развитый человек Зинин Николай Николаевич (1812-1880).
Органический синтез
Синтетический и искусственный
Не следует путать термины «синтетический» и «искусственный». Искусственный материал - полученный путём физической модификации сырья.
Например:
- Синтетические волокна - капрон , нейлон . Искусственное стекло-волокно, вискозное волокно, асбестовые .
- Синтетическая кожа - лабораторный способ выращивания плёнки, подобной коже. Для трансплантции кожи. Искусственная кожа - придание сырью (пористому полимеру) внешнего вида и свойств выделанной кожи животных. В данном случае синтезируется полимер, а не окончательное изделие.
- Синтетическая еда - существует только в фантастических романах. Искусственная еда - полуфабрикаты из
Селективный органический синтез . Важнейшая задача химика-синтетика – добиться селективности в органическом синтезе, т.е. научиться осуществлять строго определенное структурное изменение в молекуле, превращая ее в конечный продукт заданного строения. Для решения такой довольно трудной задачи нужно изучить реакционную способность реагентов для каждого типа связи – хемоселективность, создать при взаимодействии реагентов их правильную ориентацию – региоселективность и заданную периодическую пространственную конфигурацию – стереоселективность. Например, синтез адамантана С 10 Н 14 дает представление о том, как можно контролировать все данные факторы. С 10 Н 14 – уникальная молекула, представляющая собой фрагмент структуры алмаза, содержащей 10 углеродных атомов. Впервые адамантан удалось получить путем трудоемкого многостадийного синтеза с выходом только 2,4%. Благодаря последним экспериментальным исследованиям адамантан синтезируется в одну стадию и с выходом 75%. Выяснилось, что адамантадин–адамантан, в молекулу которого введена всего лишь одна аминогруппа, обладает антивирусным свойством, и его можно применять как средство против гриппа и против болезни Паркинсона.
Широкое распространение получила реакция циклоприсоединения с образованием пятичленных циклов, применяющихся для синтеза самых разных соединений – от новых электропроводящих материалов до лекарственных препаратов, например, антибиотиков и противоопухолевых средств. Так, замыкание цикла на радиевом катализаторе является ключевой стадией в синтезе тиенамицина, в котором пятичленный цикл содержит атом азота. Конечный продукт оказался эффективным, подобным пенициллину, средством против инфекционных болезней.
Фотохимический синтез . Фотохимический синтез основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекулы существенно зависят от свойств поглощенного света, при котором константа диссоциации кислот изменяется на 5–10%, окислительные и восстановительные процессы кардинально изменяются и даже химически инертные вещества могут стать реакционноспособными.
В результате фотохимического синтеза получены многие биологически активные соединения, например, алкалоид атизин, несколько антибиотиков, провитамин D 3 и др. Активность фотохимического синтеза в значительной степени зависит от длины волны возбуждающего света и температуры. Так, при уменьшении длины волны всего лишь на 1% – с 302,5 до 300,0 нм – выход провитамина D 3 увеличивается вдвое, а при снижении температуры синтеза – вчетверо.
Биосинтез. Среди природных веществ есть регуляторы роста растений и насекомых, органические соединения, используемые насекомыми в качестве средств коммуникации, пестициды, антибиотики, витамины и многие целебные вещества. Природное соединение сначала необходимо обнаружить, затем выделить его химическим путем, потом определить его структуру и свойства и, наконец, произвести заданный синтез.
Часто химики стремятся получить только одну нужную форму из двух, являющихся зеркальным отражением друг друга. Каждый атом углерода, с которым связаны различные группы атомов, порождает пару симметричных зеркальных структур и называется хиральным атомом или хиральным центром. Характерный пример выделения только одной зеркальной формы – синтез антибиотиков. В природе встречается около 50 соединений подобного типа, среди них самое известное – монензин, продуцируемый штаммом бактерий. Антибиотики такого типа (монензин, лазалоцид, салиномицин) широко применяются для борьбы с инфекционными заболеваниями в бройлерном производстве. В США ежегодно продают примерно на 50 млн долларов монензина. Монензин содержит 26 атомов углерода, 17 хиральных центров – это означает возможность существования 2 17 различных стереоизомеров. Поэтому для осуществления синтеза монензина необходимы высокостереоселективные реакции. Производство монензина и его структурных аналогов – крупное достижение современного биосинтеза.
При исследовании строения биополимеров – гигантских молекул белков (нуклеиновых кислот, синтезируемых живыми организмами), возникают те же проблемы, что и при изучении природных соединений с меньшей молекулярной массой. Белки выполняют различные биологические функции: участие в пищеварении, транспорт кислорода в крови, сокращение мышечных волокон, защита от вирусов и бактерий с помощью антител и т.п. Сложная пространственная форма белков во многом определяет их биологические функции. Так, молекула коллагена – белка, придающего прочность коже и костям, имеет форму стержня. Антитела представляют собой молекулы с выемками У-образной формы, которые заполняются молекулами чужеродных веществ и служат для запуска реакций, обеспечивающих их эффективное обезвреживание.
Белки – высокодинамические системы, которые при осуществлении биологических функций способны менять форму. Например, свет вызывает изменение формы родопсина – белка сетчатки глаза, что и является первичной стадией зрительного восприятия. Такое изменение происходит в течение менее одной миллиардной доли секунды. Подобные процессы в молекулах белков обнаруживаются с помощью импульсных лазеров.
Для белков характерны повторяющиеся структурные фрагменты и общность механизмов действия. Даже простейшие клетки содержат более 5000 различных видов белков. Последние имеют общие структурные особенности. Например, наблюдается сходство между ферментом тромбином, вызывающем свертывание крови, и пищеварительным ферментом – химотрипсином. Многие белки разных организмов похожи друг на друга. Так, гемоглобин мыши мало отличается от гемоглобина человека.
В сложных организмах ферменты работают так же, как и в простых.