Химический синтез

Введение.

Химический синтез – целенаправленное получение сложных веществ из более простых, основывающееся на знании молекулярного строения и реакционной способности последних. Обычно под синтезом подразумевается последовательность нескольких химических процессов (стадий).

Все окружающие нас тела – земля, люди, животные и растения – состоят из химических элементов. Соединяясь друг с другом в различных комбинациях, эти  элементы дают большое число разнообразных химических 

соединений.

Путём органического синтеза из угля можно получить мыло и уксус, из дерева – шёлк и шерсть, из спирта – каучук.

В настоящее время мы широко пользуемся предметами, материал которых изготовляется с помощью органического синтеза. Это — платье, обувь, детали машин, игрушки, лекарства, краски, посуда, женские сумки, пяговицы и многое, многое другое.

Органический синтез – яркий  пример великого значения науки, пример того, как человек, вооружённый знанием, подчиняет себе природу, заставляет её служить своим интересам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Органическая химия как наука  возникла более ста лет назад. Впервые начал говорить об органических веществах и органической химии шведский химик Берцелиус. Изучая вещества, содержащиеся в растительных и животных организмах, он убедился, что исследовать эти вещества значительно труднее, чем изучать вещества, получаемые из различных минералов и других неживых тел природы. Эти трудности и заставили Берцелиуса выделить изучение органических веществ в особую отрасль химии.

В раннем периоде развития химии синтез химический осуществлялся главным образом для неорганических соединений и носил случайный характер. Синтетическое получение сложных веществ стало возможным лишь после того, как были накоплены сведения об их составе и свойствах с развитием методов органического и физико-химического анализа.

Принципиальное значение имели  первыесинтезы органических веществ.

Уже в 1824 году ученик Берцелиуса Вёлер  впервые синтезировал, то есть получил искусственным путём, органическое вещество — щавелевую кислоту. Щавелевая кислота – вещество растительного происхождения. Она находится в больших количествах в водорослях, грибах, лишайниках, папоротниках. Она придаёт кислый вкус всем известному щавелю. Вёлер получил щавелевую кислоту, нагревая неорганический газ дициан с водой. Эта работа Вёлера долгое время оставалась незамеченной. Более того, сам Вёлер не сумел увидеть её принципиального значения. Четыре года спустя, в 1828 году, Вёлер сделал второе открытие. Он показал, что неорганическое вещество циановокислый аммоний легко можно превратить в продукт жизнедеятельности животного организма – мочевину.

В 1845 году немецкий химик Кольбе получил искусственным путём уксусную кислоту. Эта  кислота — органическое вещество. Образуется она при  скисании вина и в виде 3—5%-ного водного раствора употребляется в пищу под названием «уксус». Молекула уксусной кислоты состоит из двух атомов углерода, четырёх атомов водорода и двух атомов кислорода. Кольбе получил уксусную кислоту, взяв в качестве исходных веществ древесный уголь, серу, хлор и воду. За сравнительно короткий срок был получен ряд других органических кислот, выделявшихся ранее из растений. Это – винная кислота (встречается в винограде) ,лимонная (в лимонах, апельсинах), янтарная (в незрелом крыжовнике, винограде), яблочная (в большинстве незрелых плодов) и другие.

Постепенно химики научились получать и более сложные органические вещества. Так, в 1854 году, когда было установлено, что жиры представляют собой  соединения глицерина с различными органическими кислотами (молекулы которых обычно содержат 16—18 углеродных атомов), был получен искусственным путем жир.

Большим шагом вперед явилось введение в органический синтез порошкообразных катализаторов. За обширные исследования в этой области П. Сабатье получил в 1912 г. Нобелевскую премию по химии вместе с В. Гриньяром. Работы этих ученых имели особенно большое значение для прикладной химии и химической технологии.

В 20-е годы профессор Кильского  университета Отто Дильс вместе со

своим сотрудником Куртом Альдером предложил новый метод химического

синтеза, который нашел такое  же широкое применение, как и реактивы

Гриньяра. Реакция основывалась на свойствах так называемых диеновых со-

единений, имеющих двойные связи.

В 1928 г. О. Дильс и К. Альдер открыли  и объяснили один из видов ре-

акции диеновых соединений с молекулами, имеющими обычные одинарные

связи. Подобные реакции наблюдались  и раньше, однако не получили должного объяснения. Два немецких исследователя  сразу же поняли, что вновь открытое взаимодействие позволяет создать новый метод синтеза. И действительно, методом диенового синтеза было получено большое количество соединений, синтез которых до этого был очень затруднен или даже казался невозможным.

Реакция Дильса — Альдера широко используется для синтеза циклических соединений с кольцевидной структурой. Так получают молекулы, служащие исходным сырьем для получения большого числа важных веществ – аналогов природных соединений. Наряду с этим указанная реакция служит ценным методом исследования строения сложных молекул.

Отто Дильс, ученик Э. Фишера, стал лауреатом Нобелевской премии по

химии в 1950 г. Вместе с ним был  награжден и Курт Альдер. Носящая  их имя реакция сегодня широко используется в синтетической химии.

Однако до 60-х годов прошлого столетия синтетические работы химиков носили в значительной степени  случайный характер. В своих исследованиях химики-органики действовали неуверенно, на ощупь; в теоретических  вопросах царил разброд.

Синтез сложных природных соединений позволяет также и разгадать  их структуру. Особых успехов в этой области добился американский химик-органик, профессор Гарвардского университета Роберт Берне Вудворд

Этот ученый осуществил целую серию замечательных синтезов: хинина, стрихнина, холестерина, кортизона, различных аминокислот и т. д. К этому можно добавить исследования структуры антибиотиков. Последующие синтезы дали возможность получать их различные модификации. Синтезирование новых антибиотиков очень важно для медицинской практики, так как позволяет «опережать» микроорганизмы, многие из которых, как известно, быстро приспосабливаются к действию лекарств. Наряду с экспериментальной деятельностью Р. Вудворд известен и теоретическими разработками, касающимися химических реакций различных видов и перегруппировки атомов в ходе этих реакций. Занявшись биологией, Вудворд создал теорию биологического происхождения алкалоидов и занялся синтезом белковых молекул. За свою плодотворную и разностороннюю деятельность Роберт Берне Вудворд в 1965 г. был удостоен Нобелевской премии по химии.

Синтетическая химия — это своеобразное творчество. Итальянский историк химии Микеле Джуа называет ее «покорением вещества». В этой области химии наиболее отчетливо видно, как ученые продвигаются вперед на ощупь, ведомые своей интуицией. Правила и принципы синтеза вырабатываются лишь после того, как открываются новые удачные реакции. Эта область деятельности продолжает оставаться плодотворным поприщем для многих исследователей. К числу последних достижений синтетической химии относятся исследования Герберта Чарлза Брауна и Георга Виттига, которые разработали методы синтеза сложных органических соединений, содержащих элементы бор и фосфор.

Герберт Браун, выпускник Чикагского университета, сначала занимался неорганической химией. Еще молодым исследователем он как-то получил в подарок книгу о соединениях бора. Эти вопросы очень его заинтересовали и в значительной степени определили его дальнейший путь. Еще в начале 40-х годов он получил реактивы, нашедшие широкое применение в органической химии.

В 1956 г. Браун открыл реакцию, в которой бор присоединялся к органическим молекулам двойной связью. Производные вещества могут вступать далее в различные реакции, при которых на место бора вводятся функциональные группы. Этот метод открывал возможность получения новых комбинаций атомов и радикалов, синтеза большого числа органических соединений, природных и лекарственных веществ. Были открыты также соединения, ранее вообще неизвестные.

Как и многие крупные ученые, Браун чрезвычайно плодотворно работает. Он автор 700 статей и 4 монографий, подготовил более 200 будущих научных работников. За большие достижения в исследовании органических соединений бора Герберт Браун был удостоен в 1979 г. Нобелевской премии по химии.

Другим лауреатом того же года стал химик из Гейдельбергского университета Георг Виттиг. Коллеги причисляют Виттига к создателям современного органического синтеза, в котором особенно широко используются элементоорганические соединения. В обычных органических молекулах главное место занимает углерод, наряду с ним встречаются водород, кислород и азот. К этим молекулам могут добавляться атомы металлов или других элементов.

Работа Виттига связана преимущественно с фосфорорганическими соединениями.

Виттиг сосредоточил внимание на реакции, исследованной Штаудингером еще в 1919 г. В этой реакции осуществляется взаимодействие полярных фосфорорганических соединений — так называемых илидов — с различными органическими молекулами. Для илидов характерно, что в них углерод, связываясь с фосфором или другим подобным элементом, приобретает отрицательный заряд. Это приводит к таким свойствам фосфорпроизводных, которые создают условия для необычной реакции.

Многие годы на эту реакцию никто  не обращал внимания, и ее возможности оставались нераскрытыми. Она широко введена в химию в 1953 г. именно Виттигом и названа его именем. Использование фосфоилидов —10

один из основных методов современного органического синтеза. Реакция Виттига обеспечивает эффективный способ получения огромного множества

самых разнообразных соединений: с  ее помощью можно синтезировать  как

линейные структуры, подобные витамину А, так и сложные кольцевидные

соединения.

Чисто лабораторное открытие Виттига благодаря работе химиков и технологов нашло широкое практическое применение. Сам Виттиг сегодня занимается другими исследованиями подобного рода, польза которых пока еще не очевидна, однако истинное их значение покажет лишь будущее. Присуждение Георгу Виттигу и Герберту Брауну Нобелевской премии является еще одним свидетельством большого значения синтетической химии — области науки, непосредственно связанной с повседневной жизнью человека.

После работ Ф. Сенгера начались попытки синтеза белковых молекул.

Это оказалось очень непросто. Необходимы были сотни реакций для получения  белка всего в тысячных долях  процента.

В 1961 г. Роберт Брюс Мэррифнлд из Рокфеллеровского университета

решил синтезировать пептидные  цепи белков, используя автомат, работав-

ший на принципиально новой основе. Синтез полипептидпой нити осуществлялся  на микроскопическом шарике твердого полимерного носителя. К такому шарику прикрепляли первую аминокислоту, а затем последовательно «наращивал» на ней остальные. В конце концов полученный пептид отделялся от твердого носителя и переводился в раствор. Эффективность нового метода была продемонстрирована уже в 1963 г.: был синтезирован пептидный гормон брадикинин, состоящий из 9 аминокислот. Существенно то, что методы очистки и разделения продуктов можно заменить стандартными операциям промывки и фильтрования.

В Советском Союзе М. М. Шемякин  и Ю. А. Овчинников разработали

такой же метод синтеза на растворимом  полимерном носителе. Он позволяет

получить более однородный и  чистый пептид. Разработанная Р. Мэррифилдом  методология твердофазного синтеза  произвела подлинную революцию  в химическом синтезе и оказала  мощное воздействие на развитие различных  областей биохимии, молекулярной биологии, биотехнологии и т. д.

По мнению многих авторитетных ученых, открытие Мэррифилда оказало большое влияние на сам образ мышления специалистов. За свое выдающееся достижение, открывающее новые горизонты в познании свойств вещества, Роберт Брюс Мэррифнлд был удостоен в 1984 г. Нобелевской премии по химии.

Количество продуктов современного органического  синтеза исчисляется  многими миллионами тонн. Поэтому, как  правило, промышленный синтез пользуется  дешёвым сырьём, которое можно  иметь в неограниченном количестве.  

Развитие органического синтеза происходит по следующим принципиальным направлениям производство важнейших промышленных продуктов (полимеров, синтетического топлива, красителей и пр.); получение различных физиологически активных веществ для медицины, сельского хозяйства, пищевой промышленности, парфюмерии; подтверждение строения сложных природных соединений и получение молекул с «необычным» строением для проверки и совершенствования теории органической химии; расширение арсеналареакций и методов синтеза химического, включая использование катализаторов, высоких энергий, а также более широкое использование (в строго контролируемых условиях) микроорганизмов и очищенных ферментов. В 70-е гг. появились работы по применению ЭВМ для целей оптимизации многостадийного синтеза химического.