유기합성

Organic synthesis
이 기사는 유기 화합물의 인공 합성에 관한 것입니다. 저널은 Organic Synthes를 참조하십시오. 유기체 내 합성에 대해서는 생합성을 참조하십시오.

유기 합성은 유기 화합물의 구성과 관련된 화학 합성의 한 분야입니다. 유기 합성의 일반적인 주제 내에는 전체 합성,[1] 입체 선택적 합성 [2]및 자동화된 합성을 포함한 다양한 유형의 합성 경로가 있습니다.[3] 유기 합성에 있어서도 중요한 것은 방법론과 특성화 기술입니다.

종합합계

주 기사: 종합합계

총체적 합성은 단순한 천연 전구체로부터 분자의 완전한 화학적 합성을 말합니다.[1] 전체 합성은 선형 또는 수렴 방식을 통해 이루어집니다. 선형 합성에서는 분자가 완성될 때까지 여러 단계를 순차적으로 수행하며, 각 단계에서 만들어지는 화학 화합물을 합성 중간체라고 합니다.[1] 대부분의 경우 합성의 각 단계는 시작 물질을 수정하기 위해 별도의 반응이 발생합니다. 더 복잡한 분자의 경우 수렴 합성 접근법이 더 적합할 수 있습니다. 이러한 유형의 반응 방식은 여러 주요 중간체의 개별 준비를 포함하며, 이들은 결합되어 원하는 생성물을 형성합니다.[4]

1965년 여러 합성법으로 노벨 화학상을 수상한 로버트 번즈 우드워드는 스트리크닌의[6] [5]합성법과 마찬가지로 현대[7] 유기 합성의 할아버지로 여겨집니다. 오늘날의 합성법의 일부 예로는 웬더스, 홀튼,[8][9] 니콜라스,[10] 그리고 Danishefsky의 항암제 paclitaxel (상표명 Taxol)의[11] 전체 합성.[12]

방법론 및 응용

유기 합성을 시작하기 전에 성공적인 제품 형성을 보장하기 위해 각 단계에서 필요한 화학 반응, 시약 및 조건을 이해하는 것이 중요합니다. 주어진 합성에 대한 최적의 반응 조건을 결정할 때 가능한 적은 단계로 적절한 순수 생성물 수율을 생성하는 것이 목표입니다.[13] 어떤 조건을 수행할지 결정하기 위해 반복할 수 있는 방법이 이미 문헌에 존재하거나 새로운 합성 경로를 개발하고 테스트할 수 있습니다. 실용적이고 산업적인 응용을 위해 추가적으로 고려해야 하는 반응 조건에는 연구자와 환경의 안전성, 순도 등이 포함됩니다.[14]

합성기법

유기 합성은 제품을 분리하고 정제하기 위해 많은 단계가 필요합니다. 분리하려는 제품의 화학적 상태에 따라 다른 기술이 필요합니다. 액체 제품의 경우 매우 일반적인 분리 기술은 액체-액체 추출이며 고체 제품의 경우 여과(중력 또는 진공)가 사용됩니다.

액-액 추출

액체추출

액-액 추출은 분리 시 사용되는 제품과 용매의 밀도와 극성을 활용합니다.[15] "like-disolves-like"라는 개념에 기초하여, 비극성 화합물은 비극성 용매에 더 잘 용해되고, 극성 화합물은 극성 용매에 더 잘 용해됩니다. 이 개념을 사용하면 혼합되지 않는 용매를 같은 플라스크에 넣고 극성이 가장 비슷한 용매에 생성물을 분리함으로써 화합물의 상대적 용해도를 활용할 수 있습니다. 용매 혼화성은 플라스크 내에서 반응 물질을 포함하는 층과 생성물을 포함하는 층 두 개의 층이 형성될 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 층의 밀도가 다르기 때문에 제품 함유 층이 분리되고 측면 물질 층이 제거될 수 있습니다.

가열 반응 및 환류 응축기

환류장치

많은 반응은 반응 속도를 높이기 위해 열을 필요로 합니다. 그러나 많은 상황에서 열이 증가하면 용매가 걷잡을 수 없이 끓게 되어 반응에 부정적인 영향을 미치고 잠재적으로 수율이 감소할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 역류 응축기를 반응 유리 제품에 장착할 수 있습니다. 환류 콘덴서는 중력에 맞서 물이 드나들 수 있는 두 개의 입구가 있는 특별히 보정된 유리 제품입니다. 이 물의 흐름은 빠져나가는 기질을 식히고 다시 반응 플라스크로 응축하여 반응을[16] 계속하고 모든 제품이 포함되어 있는지 확인합니다. 환류 응축기의 사용은 초기 반응/역류 및 재결정화를 포함한 유기 합성 내의 여러 단계에서 중요합니다.

환류에 도달하기 위해 사용될 때는 환류 콘덴서를 장착하여 면밀히 관찰합니다. 역류 응축기에서 다시 반응 플라스크로 응축액이 떨어지는 것을 볼 수 있을 때 역류가 발생합니다. 매초 또는 몇 초마다 한 방울씩 떨어집니다.[16]

재결정을 위해 제품 함유 용액에 응축기를 장착하고 다시 환류합니다. 제품 함유 용액이 맑으면 환류가 완료됩니다. 일단 맑아지면 반응이 열을 제거하고 냉각되도록 하여 제품이 재침전되어 더 순수한 제품을 만듭니다.[17]

중력 및 진공 여과

중력여과장치

고체 생성물은 여과 기술을 사용하여 반응 혼합물에서 분리할 수 있습니다. 고체 제품을 얻기 위해 진공 여과 장치를 사용할 수 있습니다.

진공 여과는 흡입을 이용하여 여과지가 장착된 뷔흐너 깔때기를 통해 액체를 끌어당겨 원하는 고체 제품을 잡아줍니다.[18] 이 공정은 반응 혼합물에 있는 원치 않는 용액을 제거하여 여과 플라스크에 가두고 원하는 제품만 남깁니다.

진공여과장치

액체 제품은 중력 여과를 사용하여 고체로부터 분리할 수도 있습니다.[18] 이 분리법은 여과지를 깔때기로 접어 반응 플라스크 위에 올려놓습니다. 그런 다음 반응 혼합물을 여과지를 통해 퍼넬에 있는 액체의 총 부피가 퍼넬의 부피를 초과하지 않는 속도로 부습니다.[18] 이 방법을 사용하면 제품이 진공이 아닌 중력에 의해 다른 반응 성분과 분리될 수 있습니다.

입체선택합성

주 기사: 카이랄 합성

대부분의 복잡한 천연물은 카이랄이고 [2][19]카이랄 분자의 생체 활성은 거울상이성질체에 따라 다릅니다.[20] 일부 총 합성은 가능한 거울상이성질체의 혼합물인 라세미 혼합물을 대상으로 합니다. 그런 다음 거울상이성질체 해상도를 통해 단일 거울상이성질체를 선택할 수 있습니다.

화학이 발전함에 따라 반응을 유도할 수 있는 입체 선택적 촉매 및 운동 분해능 방법이 도입되어 라세미 혼합물이 아닌 하나의 거울상이성질체만 생성합니다.[21] 초기의 예로는 입체 선택적 수소화[22](예: William Knowles와 Ryji Noyori가 [23]보고한 바와 같이)와 배리 샤프리스에 의한 비대칭 에폭시화와 같은 작용기 변형이 있습니다.[24] 이러한 입체화학적 선호도의 발전으로 이 화학자들은 2001년 노벨 화학상을 수상했습니다.[25] 이러한 우선적인 입체화학 반응은 화학자들에게 거울상 순수한 물질에 대한 훨씬 더 다양한 선택을 제공합니다.

Robert B가 개발한 기술을 사용합니다. 합성 방법론의 발전과 짝을 이룬 우드워드 화학자들은 라세미화 없이 입체화학적으로 선택적인 복잡한 분자를 합성할 수 있었습니다. 스테레오 제어는 순수한 거울상이성질체로서 합성될 표적 분자를 제공합니다(즉, 분해의 필요 없이). 그러한 기술을 스테레오 선택적 합성이라고 합니다.

합성설계

많은 합성 절차는 Elias James Corey가 개발한 합성 디자인의 일종인 레트로 합성 프레임워크에서 개발되었으며, 이를 통해 1990년 노벨 화학상을 수상했습니다. 이 접근법에서 합성은 표준 화학 규칙에 따라 제품에서 거꾸로 계획됩니다.[1] 각 단계는 상위 구조를 달성 가능한 구성 요소로 분해하며, 이는 역합성 화살표가 있는 그래픽 구성을 사용하여 표시됩니다(사실상 "제"를 의미하는 ⇒로 그려짐). 역합성을 통해 원하는 합성 디자인을 시각화할 수 있습니다.

유기합성 자동화

유기 합성 내에서 최근 개발된 것은 자동화된 합성입니다. 인간의 개입 없이 유기 합성을 수행하기 위해 연구자들은 기존의 합성 방법과 기술을 적용하여 완전히 자동화된 합성 공정을 만들고 있습니다. 합성 자동화는 지속적인 "흐르는" 반응으로 수율을 높일 수 있기 때문에 이러한 유형의 합성이 유리합니다. 흐름 화학에서 기질은 더 높은 수율을 생성하기 위해 반응에 지속적으로 공급됩니다. 이전에는 이러한 유형의 화학은 대규모 산업 화학을 위해 유보되어 있었지만 최근에는 산업을 넘어 반응의 효율을 향상시키기 위해 벤치 규모 화학으로 전환되었습니다.[3]

현재 자동화된 합성을 작업에 통합하는 것은 비영리 연구 기관인 SRI International입니다. 최근 SRI International은 FDA 승인을 받은 많은 소분자 약물을 합성할 수 있는 자동화된 다단계 화학 합성기인 Autosyn을 개발했습니다. 이 합성기는 기질의 다양성과 인간의 개입 없이 새로운 약물 분자에 대해 수행되는 연구 유형을 잠재적으로 확장할 수 있는 능력을 보여줍니다.[26]

자동화 화학과 사용된 자동화 합성기는 미래 합성 화학의 잠재적인 방향성을 보여줍니다.

특성화

유기 합성에 필요한 것은 특성화입니다. 특성화란 주어진 화합물의 화학적, 물리적 특성을 측정하는 것을 말하며, 여러 형태로 나타납니다. 일반적인 특성화 방법의 예로는 핵자기 공명(NMR),[27] 질량 분석, [28]푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) [29]및 융점 분석이 있습니다.[30] 이러한 각각의 기술을 통해 화학자는 새로 합성된 유기 화합물에 대한 구조적 정보를 얻을 수 있습니다. 실험의 성격에 따라 사용되는 특성화 방법이 달라질 수 있습니다.

유기합성의 관련성

유기 합성은 많은 과학 분야에 필수적인 중요한 화학적 과정입니다. 유기적 합성이 필요한 연구를 넘어서는 분야로는 의료 및 제약 산업이 있습니다. 유기 공정을 통해 제약 제품의 산업적 규모를 만들 수 있습니다. 이러한 합성의 예로는 이부프로펜이 있습니다. 이부프로펜은 환원, 산성화, Grignard 시약의 형성 및 카르복실화를 포함한 일련의 반응으로부터 합성될 수 있습니다.[31]

Kjonass 등에 의한 이부프로펜의 합성

Kjonass et al. 에 의해 제안된 이부프로펜의 합성에 있어서, 출발 물질인 p-이소부틸아세토페논은 수소화붕소나트륨(NaBH4)에 의해 환원되어 알코올 작용기를 형성하는 것. 생성된 중간체는 HCl로 산성화되어 염소기가 생성됩니다. 그런 다음 염소 그룹을 마그네슘 회전과 반응시켜 그리나르 시약을 만듭니다.[31] 이 그리냐르는 카르복실화되고 생성된 제품은 이부프로펜을 합성하기 위해 작업됩니다. 유기 합성이 없다면, 이부프로펜과 다른 많은 중요한 약물의 생산은 불가능할 것입니다.

참고 항목

참고문헌

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