Síntesis orgánica

La síntesis orgánica es una rama especial de la síntesis química y se ocupa de la construcción intencional de compuestos orgánicos. Las moléculas orgánicas suelen ser más complejas que los compuestos inorgánicos, y su síntesis se ha convertido en una de las ramas más importantes de la química orgánica. Hay varias áreas principales de investigación dentro del área general de la síntesis orgánica: síntesis total, semisíntesis y metodología.

Síntesis total

Una síntesis total es la síntesis química completa de moléculas orgánicas complejas a partir de precursores naturales o petroquímicos disponibles comercialmente. La síntesis total se puede lograr mediante un enfoque lineal o convergente. En una síntesis lineal, a menudo adecuada para estructuras simples, se realizan varios pasos uno tras otro hasta que se completa la molécula; los compuestos químicos elaborados en cada paso se denominan intermediarios sintéticos. Muy a menudo, cada paso en una síntesis se refiere a una reacción separada que tiene lugar para modificar el compuesto de partida. Para moléculas más complejas, puede ser preferible un enfoque sintético convergente, uno que involucre la preparación individual de varias "piezas" (intermedios clave), que luego se combinan para formar el producto deseado.La síntesis convergente tiene la ventaja de generar un mayor rendimiento, en comparación con la síntesis lineal.

Robert Burns Woodward, quien recibió el Premio Nobel de Química en 1965 por varias síntesis totales (p. ej., su síntesis de estricnina en 1954), es considerado el padre de la síntesis orgánica moderna. Algunos ejemplos de los últimos días incluyen la síntesis total de Wender, Holton, Nicolaou y Danishefsky del paclitaxel (nombre comercial, Taxol) terapéutico contra el cáncer.

Metodología y aplicaciones

Cada paso de una síntesis implica una reacción química, y los reactivos y las condiciones para cada una de estas reacciones deben diseñarse para dar un rendimiento adecuado de producto puro, con el menor número de pasos posible. Es posible que ya exista un método en la literatura para hacer uno de los primeros intermedios sintéticos, y este método generalmente se utilizará en lugar de un esfuerzo por "reinventar la rueda". Sin embargo, la mayoría de los productos intermedios son compuestos que nunca se han fabricado antes, y normalmente se fabricarán utilizando métodos generales desarrollados por investigadores de metodología. Para ser útiles, estos métodos deben dar altos rendimientos y ser confiables para una amplia gama de sustratos. Para aplicaciones prácticas, los obstáculos adicionales incluyen estándares industriales de seguridad y pureza.

La investigación metodológica suele implicar tres etapas principales: descubrimiento, optimización y estudios de alcance y limitaciones. El descubrimiento requiere un amplio conocimiento y experiencia con las reactividades químicas de los reactivos apropiados. Mejoramientoes un proceso en el que se prueban uno o dos compuestos de partida en la reacción bajo una amplia variedad de condiciones de temperatura, disolvente, tiempo de reacción, etc., hasta que se encuentran las condiciones óptimas para el rendimiento y la pureza del producto. Finalmente, el investigador trata de extender el método a una amplia gama de diferentes materiales de partida, para encontrar el alcance y las limitaciones. Las síntesis totales (ver arriba) a veces se utilizan para mostrar la nueva metodología y demostrar su valor en una aplicación del mundo real. Tales aplicaciones involucran industrias importantes enfocadas especialmente en polímeros (y plásticos) y productos farmacéuticos. Algunas síntesis son factibles a nivel académico o de investigación, pero no para la producción a nivel industrial. Esto puede conducir a una modificación adicional del proceso.

Síntesis estereoselectiva

La mayoría de los productos naturales complejos son quirales y la bioactividad de las moléculas quirales varía con el enantiómero. Históricamente, las síntesis totales tenían como objetivo mezclas racémicas, mezclas de ambos enantiómeros posibles, después de lo cual la mezcla racémica podría separarse mediante resolución quiral.

En la segunda mitad del siglo XX, los químicos comenzaron a desarrollar métodos de catálisis estereoselectiva y resolución cinética mediante los cuales las reacciones podían dirigirse para producir un solo enantiómero en lugar de una mezcla racémica. Los primeros ejemplos incluyen hidrogenaciones estereoselectivas (por ejemplo, como informaron William Knowles y Ryōji Noyori, y modificaciones de grupos funcionales como la epoxidación asimétrica de Barry Sharpless; por estos logros específicos, estos trabajadores recibieron el Premio Nobel de Química en 2001.Tales reacciones dieron a los químicos una opción mucho más amplia de moléculas enantioméricamente puras para comenzar, donde antes solo se podían usar materiales de partida naturales. Usando técnicas iniciadas por Robert B. Woodward y nuevos desarrollos en metodología sintética, los químicos se volvieron más capaces de llevar moléculas simples a moléculas más complejas sin racemización no deseada, al comprender el estereocontrol, permitiendo que las moléculas objetivo finales se sinteticen como enantiómeros puros (es decir, sin necesidad de resolución). Estas técnicas se conocen como síntesis estereoselectiva.

Diseño de síntesis

Elias James Corey aportó un enfoque más formal al diseño de síntesis, basado en el análisis retrosintético, por el que ganó el Premio Nobel de Química en 1990. En este enfoque, la síntesis se planifica al revés desde el producto, utilizando reglas estándar. Los pasos que "descomponen" la estructura principal en componentes alcanzables se muestran en un esquema gráfico que utiliza flechas retrosintéticas (dibujadas como ⇒, que en efecto significan "está hecho de").

Más recientemente, y menos aceptados, se han escrito programas informáticos para diseñar una síntesis basada en secuencias de "medias reacciones" genéricas.