סינתזה אורגנית

סינתזה אורגנית (באנגלית: Organic synthesis) היא תחום חקר בכימיה אורגנית וסינתזה כימית, העוסקת בייצור של תרכובות אורגניות. הסינתזה האורגנית ניצבת בדרגת מורכבות גבוהה יחסית, והיא בעלת עושר וגיוון עצום בהשוואה לשיטות סינתטיות קלאסיות. סינתזה אורגנית מיושמת הן בקנה מידה קטן במסגרת המעבדה הכימית, והן בקנה מידה גדול במסגרת מפעלי הייצור והתעשייה הכימית.

מטרות

סינתזה אורגנית מהווה את השיטה הבלעדית בייצורן של מרבית התרכובות הכימיות הידועות לאדם.

חלק עצום מהחומרים המשמשים את האדם הם תרכובות אורגניות שיוצרו בתעשייה הכימית בשיטות סינתטיות העושות שימוש בתגובות אורגניות.

הסיבות לביצוע סינתזה אורגנית:

• מתן מענה לדרישה מסחרית של מוצרים אורגנים, כגון: תרופות וחומרי טבע; חומרי ריח (לתעשיית הקוסמטיקה והמזון); חומרי טעם (לתעשיית המזון); צבעים; דלקים וממסים; חומרי נפץ (המיוצרים בתגובות ניטרציה); חומרי לחימה כימיים; חומרי הדברה; מעכבי בעירה; דבקים; פולימרים.
• זיהוי והוכחת מבנה של חומר טבע מסוים בשיטות הגרעה וסינתזה.
• בחינה של תאוריות או מנגנון כימי.

דוגמאות למוצרים חשובים המתקבלים בתהליכי סינתזה אורגנית
חומרי נפץ	תרופות	חומרי הרדמה	חומרי ריח	חומרי טעם	צבעים	דלקים וממסים	חומרי הדברה	חומרי לחימה כימיים	מעכבי בעירה
PETN	אספרין	קטמין	ונילין	אצסולפאם	אינדיגו	ניטרומתאן	די-די-טי	גז מדמיע	הקסא-ברומו ציקלו דודקאן

סוגים

סינתזה אורגנית חצי-סינתטית (Semisynthesis)

ביצוע של התאמות (מודיפיקציות) כימיות על חומרי טבע (שבודדו ממקורות ביולוגיים) באמצעות תגובות אורגניות, לעיתים בסיוע של יצרנים ביולוגיים.

• לדוגמה: ארטמתיר (Artemether) היא תרופה לטיפול במחלת המלריה שפותחה בתהליך חצי-סינתטי, מחומר הטבע ארטמיסינין (Artemisinin) שהגיע מהצמח לענה חד שנתית (Artemisia annua). הכימיה שבוצעה על חומר הטבע הייתה חיזור של הקרבוניל האסטרי באמצעות אשלגן בורוהידריד (KBH4) לקבלת כוהל, ובשלב השני הפיכת הכוהל לאתר על ידי הוספת מתנול בקטליזה חומצית (נוכחות HCl).

לענה חד שנתית (Artemisia annua) ממנה מופק חומר הטבע ארטמיסינין (Artemisinin)

סינתזה מוחלטת או סינתזה טוטאלית (Total synthesis)

ערך מורחב – סינתזה מוחלטת

הכנה של תרכובות אורגניות מתקדמות מחומרי גלם פשוטים וזמינים (commercially available precursors).

• לדוגמה: הסינתזה הטוטלית של טרופינון (Tropinone), המשמש כחומר גלם בייצור של אטרופין, בוצעה לראשונה בשנת 1901 על ידי ריכרד וילשטאטר. אולם היא הייתה מרובת שלבים ובעלת ניצולת סופית נמוכה מאוד, של כ-1%. בשנת 1917 הצליח הכימאי רוברט רובינסון לסנתז את החומר בתהליך קצר ויעיל בהרבה, תוך הסתמכות על שלושה חומרי גלם טבעיים שהוגבו בכלי אחד.

סינתזת טרופינון - ריכרד וילשטאטר, 1901

סינתזת טרופינון - רוברט רובינסון, 1917

תחומי משנה בסינתזה אורגנית

הערה: חלק מהתחומים אינם ייחודיים לסינתזה אורגנית בלבד, אך ללא ספק, היא מהווה בהן חלק מהותי, ועל כן הם מובאים כאן.

• אלקטרוסינתזה (Electrosynthesis) - מבוצעת במסגרת תאים אלקטרוכימיים, ומאפשרת לבצע תהליכי חמצון או חיזור ישירים על תרכובות אורגניות, במטרה להביא להסבה של קבוצות פונקציונליות מסוימות, לקבוצות אחרות, בין היתר כתחליף להגבה שלהן עם מגיבים (ראגנטים) אי-אורגניים.

אלקטרוסינתזה של ניטריל מאלפא אמינו חומצה. חומר הגלם עובר חמצון על גבי האנודה (המצופה בשכבת כסף חמצני) בהתא אלקטרוכימי. בתהליך החמצון נפלט הגז פחמן דו חמצני.

• סינתזה ביומימטית (Biomimetic synthesis) - עוסקת בתכנון ופיתוח של תהליכה סינתזה אורגנית בהשראה ביולוגית, ועל בסיס תהליכים ביוסינתטיים המתרחשים בטבע. התחום פותח בראשית המאה ה-20, על ידי המדען הבריטי סר רוברט רובינסון, ומאז זוכה למחקר ופיתוח מדעי נרחב. השאיפה בפיתוח תהליכי סינתזה ביומימטיים היא הרצון להשיג את היעילות והבררנות (סלקטיביות) הגבוהה של מערכות ביולוגיות כגון אנזימים בהפקה של תרכובות בעלות חשיבות מסחרית גבוהה, כגון תרופות.
• פוטוסינתזה מלאכותית (Artificial photosynthesis) - עוסקת ברתימה של קרינה אלקטרומגנטית להפקה של חשמל או כימיקלים, כגון תרכובות אורגניות. זהו תחום המבוסס על תהליך הפוטוסינתזה המבוצע בטבע, בו צמחים (וקבוצות מסוימות של פרוטיסטים וחיידקים) ממירים קרינה (מאור השמש), מים ופחמן דו-חמצני לתרכובות סוכר (וחמצן) בהן הם משתמשים לקיום תהליכי גדילה והתפתחות.
• סינתזת מצב מוצק (Solid-phase synthesis) - עוסקת בתכנון ופיתוח של שיטות סינתזה המבוצעות על מצע מוצק. בשיטה זו, המגיבים נקשרים למצע מוצק (לרוב פולימר) ולאחר מכן עוברים את שלבי הסינתזה. היתרון בשיטה הזו היא הקלות בה מורחקים תוצרי הלוואי והמגיבים שלא נצרכו בתגובה, וזאת על ידי ביצוע של תהליכי שטיפה פשוטים, בהן חומר התוצר הרצוי נשאר קשור למצע המוצק, בעוד שאר החומרים מסולקים מהמערכת. סינתזה זו פותחה בשנות ה-50 של המאה ה-20, על ידי רוברט ברוס מריפילד, ככלי לסינתזה של פפטידים (Peptide synthesis) - פולימרים קצרים המורכבים מיחידות חוזרות של חומצות אמינו. תחום זה נמצא כיום בשימוש מעבדתי ותעשייתי נרחב מאוד.
• סינתזה בכלי אחד (One-pot synthesis) - היא אסטרטגיה סינתטית הדוגלת בביצוע של שלבי סינתזה מרובים בכלי תגובה אחד. המטרה היא להשיג ניצולת גבוהה, על ידי ייתור של תהליכי הפרדה וניקוי המבוצעים בין השלבים, ובכך גם להביא לפישוט התהליך, קיצור אורך הזמן הכולל להתרחשות הסינתזה ולהורדת העלות הכספית של התהליך הכולל. אסטרטגיה זו, היא גישה חשובה בתעשייה הכימית.

תגובה סינתטית בכלי אחד המכילה תרכובות דיאזו, ואזיד המגיבות ביניהן ליצירת בטא לקטם.

תגובות אורגניות

התגובות הכימיות המשמשות בתהליכי הסינתזה האורגנית קרויות תגובות אורגניות. באופן כללי, נהוג למיין את התגובות הכימיות על פי מנגנון הפעולה הכימי שבו הן מתרחשות, להלן פירוט:

חלוקה על פי מנגנוני התגובה
סוג	תגובות משנה	הערות
תגובות סיפוח	סיפוח אלקטרופילי	כולל תגובות הלוגינציה, הידרו-הלוגינציה והידרציה
	סיפוח נוקלאופילי
	סיפוח רדיקלי
תגובות החסרה (אלימינציה)		כולל תגובות דה-הידרציה. מתאים למנגנוני התגובות: E1, E2, E1CB
תגובות התמרה	התמרה נוקלאופילית אליפטית	מנגנוני תגובות: SN1,SN2,SNi
	התמרה נוקלאופילית ארומטית
	התמרת אציל נוקלאופילית
	התמרה אלקטרופילית
	התמרה אלקטרופילית ארומטית
	התמרה רדיקלית
תגובות רדיקליות		תגובות חמצון חיזור רדיקליות הייחודיות לתרכובות אורגניות.
תגובות שחלוף (סידור מחדש)	שיחלוף 1,2
	תגובה פריציקלית
	שיכול אוליפינים (Metathesis Reactions)

כמות התגובות האורגניות שפותחו מאז ראשית ימיה של הכימיה האורגנית ועד ימינו היא עצומה, כך שמתן פירוט מלא של כל התגובות אינו קל, לחלופין, נסקור את שיטת המיון של התגובות על פי השפעתן על מבנה התרכובת - שני סוגים עיקריים - תגובות על השלד הפחמני, ותגובות על הקבוצות הפונקציונליות:

יצירה או שינוי של השלד הפחמני

תגובות שמביאות לשינוי באורך השלד הפחמני (בהיבט של קיצור או הגדלת מספר קשרי הפחמן-פחמן), או בתגובות שקשורות לשינוי מבני בשלד הפחמני, כגון, תגובות שחלוף או ציקליזציה (סגירת טבעת).

תגובות נבחרות

נביא כאן כמה מהתגובות השימושיות והחשובות ביותר המאפשרות יצירה של קשרי פחמן-פחמן, המהווים את השלד של התרכובות האורגניות:

• גריניאר - תגובה אורגנו-מתכתית ליצירת קשר פחמן-פחמן.

תגובת גריניארד מאפשרת קבלת קשר פחמן-פחמן על ידי "יצירת" שני צורונים: באחד מהם הפחמן נושא עליו מטען חיובי חלקי ובשני הפחמן נושא עליו מטען שלילי חלקי. חיבור שני הצורונים הנ"ל מביא כאמור ליצירת קשר פחמן-פחמן. באופן כזה ניתן על ידי תגובת גריניארד לסנתז כמעט כל כוהל, מאלקיל הליד מתאים ותרכובות קרבוניליות. בשלב הראשון מגיבים אלקיל הליד מתאים (לרוב אלקיל ברומיד) עם מגנזיום מתכתי ליצירת אלקילמגנזיום ברומיד (=מגיב גריניארד). למגיב זה מוסיפים בשלב השני תרכובת קרבונילית מתאימה, ולאחר הידרוליזה מתקבל התוצר הרצוי.

• ויטיג - תגובה להסבת קשר קרבונילי בקטון או אלדהיד (C=O) לקשר כפול (C=C).

מנגנון תגובת ויטיג כולל התקפה נוקלאופילית של הקרבאניון (של מגיב ויטיג שהוכן מראש) על הפחמן האלקטרופילי הקרבונילי, וחיבור אטום החמצן השלילי לאטום הזרחן החיובי. כתוצאה מכך נוצר חומר ביניים בעל מבנה של טבעת מרובעת, המתפרק בדרך אחרת מזו שבה הוא נוצר, לטריאלקיל פוספין אוקסיד (הקשר O=P הוא יציב מאד ומהווה את המניע התרמודינמי להתרחשות התגובה). בתגובה זו מתקבל כאמור, קשר C=C בתוצר.

• תגובה אלדולית -  תגובה בין שני קרבונילים המתרחשת בסביבה בסיסית או חומצית ומובילה ליצירת בטא-הידרוקסי-קטון.

בתרשים, מנגנון של תגובה אלדולית בסביבה בסיסית (LDA), התגובה מתרחשת לאחר יצירת אניון אנולט, כתוצאה מיציאת פרוטון מעמדת אלפא לקרבוניל. האנולט מבצע התקפה נוקלאופילית על קרבוניל במולקולה אחרת ובכך מוביל לפתיחת הקשר הקרבונילי לכוהל וליצירת קשר פחמן-פחמן.

• דילס-אלדר - תגובת סיפוח בין דיאן לאלקן היוצרת מולקולה טבעתית.

תגובת דילס-אלדר היא תגובת ציקלואדיציה, שבה דיאן מצומד בקונפורמצית הציס שלו מגיב עם אלקן. בתרשים, מתוארת התגובה בין 1,3 - בוטאדיאן לאתן, לקבלת ציקלוהקסן.

• פרידל-קרפטס - תגובה המאפשרות לקשור מתמירים אלקילים (בתהליך האלקילציה) או אצילים (בתהליך האצילציה) לטבעת ארומטית.

תגובת פרידל-קרפטס היא תגובת התמרה אלקטרופילית ארומטית. בתגובה זו חומרי המוצא הם אלקיל כלוריד, הטבעת הארומטית ואלומיניום כלוריד. בנוכחות האלומיניום כלוריד נותן האלקיל הליד יון קרבוניום שמסתפח לטבעת הארומטית המתפקדת כ"ספקית" של אלקטרונים לקבלת חומר ביניים קטיוני, המאבד פרוטון, חוזר לארומטיות, ומביא לקבלת התוצר המותמר.

פונקציונאליזציה של פחמימנים ומעבר בין קבוצות פונקציונאליות

תגובות שמאפשרות מעבר בין קבוצה פונקציונלית אחת לאחרת, בדרך כלל באמצעות הפעלת תהליכי חמצון-חיזור. לדוגמה, ניתן להפוך כוהל לחומצה קרבוקסילית (כגון הפיכת אתנול לחומץ) על ידי הוספת מחמצן חזק כגון (KMnO4).

רמות חמצון של תרכובות אורגניות המכילות חמצן - דוגמה
פחמן דו-חמצני (4+)	ח. קרבוקסילית (2+)	קרבוניל (0)	כוהל (2-)

רמות חמצון של תרכובות אורגניות המכילות חנקן - דוגמה
ניטריל (2+)	אימין (0)	אמין (2-)
${\ce {R-\!{\equiv }N}}$

הערות:

1. מצב החמצון של אטום הפחמן המרכזי מופיע בסוגרים.
2. בטבלה, תזוזה ימינה על ידי חמצון, ושמאלה על ידי חיזור.
3. פחמן דו-חמצני, שעשוי להיות תוצר החמצון המרבי, אינו תרכובות אורגנית.

דוגמאות למגיבים (ראגנטים) שימושיים המסייעים בביצוע מעברים בין קבוצות פונקציונליות:

• מחמצנים: אשלגן פרמנגנט (KMnO₄), נתרן דיכרומט (Na₂Cr₂O₇), פירידיניום כלורוכרומט ([C₅H₅NH][CrO₃Cl]), מימן על-חמצני (H₂O₂), אוזון (O₃).
• מחזרים: ליתיום אלומיניום הידריד (LiAlH₄), נתרן בורוהידריד (NaBH₄), נתרן הידריד (NaH), נתרן (Na), מגנזיום (Mg), אבץ (Zn).

דוגמה למסלולים סינתטיים אפשריים להתמרת קבוצה פונקציונלית:

מסלולים סינתטים להתמרת הקבוצה הפונקציונלית "חומצה קרבוקסילית", בקבוצות אחרות (משמאל לימין: אסטר, אמיד, אציל, אנהידריד).

אתגרים בסינתזה אורגנית

במובנים רבים, המדע העומד בבסיסה של הסינתזה האורגנית הגיע לרמת בשלות ומחקר גבוהה, אולם, בעיות מסוימות עדיין מהוות אתגר של ממש, כשפיתוח של פתרונות מתקדמים בתחומים הללו עשוי להביא לשיפור ניכר באופן בו מיוצרים כימיקלים ולמעשה באופן בו פועלת התעשייה הכימית העולמית. להלן האתגרים העיקריים:

• פיתוח מתודולוגיות סינתטיות ירוקות המאפשרות את העלאת הניצולת הכללית והכלכלה האטומית (ראו כימיה ירוקה).
• פיתוח של תגובות כימיות או מגיבים המאפשרים קבלה של עודף אננטיומרי מובהק (ראו סינתזה אסימטרית).
• פיתוח של שיטות הפרדה וטיהור של כימיקלים מתוצרי לוואי לא רצויים, בדגש על הפרדה בין תרכובות דומות בעלות מבנה סטריאוכימי שונה.
• יצירה של קשרי פחמן-פחמן.
• פיתוח של שיטות מחקר מתקדמות לזיהוי מסלולי התגובה ומנגנון התגובה (רלוונטי במיוחד עבור חיקוי תהליכים ביוסינתטיים).
• תכנון ופיתוח של זרזים כימיים מתקדמים לטובת העלאת קינטיקת התגובה והבררנות (סלקטיביות) ליצירת התוצר.
• שימוש בכלים ובמודלים מחשובים וסטטיסטים לחיזוי ותכנון של תגובות כימיות ותוצריהן.
• פיתוח שיטות ומתודולוגיות סינתטיות מתקדמות ויעילות להפיכת תרכובות אי-אורגניות פשוטות כפחמן דו-חמצני ומים לתרכובות אורגניות חשובות (כתחליף לשימוש בחומרי גלם המבוססים על דלקים מאובנים).

טכניקות בסיסיות המשמשות בסינתזה אורגנית

תמונה	טכניקה	פירוט
	סירכוז	מאפשרת הפרדת חומרים, בעיקר חלקיקים זעירים, המרחפים בנוזל, באמצעות הפעלת כוח סיבובי חזק מאד המושג באמצעות סרכזת (צנטריפוגה).
קובץ:Carbon activado.png	ספיחה	משמשת לסילוק אי ניקיונות על ידי ספיחתן למצע נקבובי בעל זיקה (אפיניות) לאי ניקיונות. לדוגמה, נהוג להשתמש בפחם פעיל (בצורה של אבקה או פתילות) כדי לספוח תרכובות אורגניות גדולות שאינן רצויות להמשך התהליך (לדוגמה כשיטה לטיהור מקדים של ממסים מסוימים).
	סינון	מאפשרת הפרדת חומרים הנמצאים בפאזות שונות, לדוגמה, סינון של מלח קשה תמס או שבבי מתכת מנוזל. שני סוגים עיקריים: סינון רגיל - מבוצע על ידי העברת התמיסה דרך נייר או בד סינון המוצב במשפך (המכונה משפך הירש). סינון בביכנר (או סינון בריק) - מבוצע בסיוע של משאבת ואקום, שתפקידה להאיץ את קצב הסינון ולאפשר ייבוש מהיר של התסנין על גבי נייר או בד הסינון (בתמונה).
	מיצוי	משמשת להפרדה של חומר מתערובת נוזלים (מיצוי נוזל-נוזל) או מתערובת מוצקים (מיצוי נוזל-מוצק) בה הוא נמצא. וזאת בהסתמך על הבדלים בכושר החלוקה של החומר בשכבות השונות.
	גיבוש מחדש	מאפשרת הפרדת חומר מתערובת חומרים אחרים על ידי השקעתו הבררנית (סלקטיבית) באמצעות גיבוש (קריסטליזציה).
	זיקוק	משמש להפרדה של תערובת נוזלים על בסיס נקודות הרתיחה השונות של מרכיביה. ארבעה סוגים עיקריים: זיקוק פשוט (Steam distillation) - משמש להפרדת חומרים שלהם טמפרטורות רתיחה שונות באופן משמעותי (לרוב מעל 25 מע' צלזיוס). זיקוק מפריט או זיקוק למקוטעין (Fractional distillation) - משמש להפרדת חומרים שלהם טמפרטורות רתיחה דומות (בדרך כלל פחות מ-25 מע' צלזיוס). זיקוק באדים (Steam distillation) - משמש להפרדת חומרים הרגישים לחום. זיקוק בריק או זיקוק בוואקום (Vacuum distillation) - משמש להפרדת חומרים הרגישים לחום.
	ייבוש	משמש להרחקה או לנטרול כימי של שאריות מים וממסים פרוטים מנוזלים או גזים. שני סוגים עיקריים: ייבוש פיזיקלי - על ידי הוספה של מלחים היגרוסקופים (כמגנזיום גופרתי וסידן כלורי) או על ידי הוספת מוצרים מיוחדים שפותחו לספיחת מים כגון: סיבים מולקולרים, סיליקה ג'ל. ייבוש כימי - באמצעות הוספת תרכובות או מתכות פעילות (כמו נתרן) שמגיבות כימית עם המים או הממסים הפרוטים ליצרת מלח (לרוב תוך פליטת גז מימן).

מכשור אנליטי עיקרי

תהליך הסינתזה האורגנית, הוא בדרך כלל תהליך רב שלבי, בו נוצרים חומרי ביניים רבים שעתידים בהמשך להפוך לתוצר הסופי. הכימאי נדרש לבצע בדיקות עיתיות לכל אורך תהליך הסינתזה בו עליו לזהות ולאפיין את תוצרי הביניים. מטרת הבדיקות היא לזהות חריגות מהתכנון המקורי ולאפשר תיקון שלהן. בסיום התהליך, על הכימאי לבצע טיהור של התוצר מחומרי הפסולת, ולחשב את הניצולת הכללית בתהליך. השיטות האנליטיות העיקריות המשמשות בסינתזה אורגנית הן:

האנליזה	פירוט	תמונה
כרומטוגרפיית גז (GC)	מאפשרת זיהוי וכימות של תערובות נוזליות נדיפות בהסתמך על זמן השהות היחסי שלהן בתוך צינור ארוך בו זורם גז נשא אדיש.
כרומטוגרפיית נוזל בלחץ גבוה (HPLC)	מאפשרת הפרדת תערובות נוזליות, זיהוי וכימות תרכובות נוזליות בתערובת, באמצעות הפרדתן בזרימה במהירויות שונות בצינור אנכי (קולונה). HPLC נחשבת לשיטה מדויקת שיכולה לאתר מרכיבים רבים (גם מאות מרכיבים) בבת-אחת, בריכוזים נמוכים מאוד.
ספקטרומטר מסה (MS)	מאפשר קבלת נוסחת מבנה אמפירית של התרכובות כולל מידע על פילוח איזוטופי.
ספקטרוסקופיית תת-אדום (IR)	מאפשרת קבלת מידע על נוכחות של קבוצות פונקציונליות מסוימות בתרכובות, וזיהוי של סוגי הקשרים הכימיים.
ספקטרוסקופיית על-סגול ואור נראה (UV-Vis)	מספק מידע חשוב על נוכחות של מערכות מצומדות בתרכובת.
ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR) - בדגש על HNMR, CNMR	מאפשרת פיענוח כמעט מוחלט של מבנה התרכובת האורגנית על בסיס ניתוח של הסביבה הכימית שמורגשת על ידי האטום הבודד.

תכנון וביצוע של סינתזה אורגנית

אנליזה רטרו-סינתטית

ערך מורחב – אנליזה רטרו-סינתטית

בטרם שיבוצע התהליך המעשי הראשון במעבדה, הכימאי האורגני מבצע תכנון יסודי של תהליך הייצור. אחת הדרכים החשובות המסייעות בקביעת תהליך זה, היא האנליזה הרטרו-סינתטית - המאפשרת מציאת מגוון רחב של מסלולים סינתטיים ובכך מותירה גמישות גבוהה בבחירת חומרי הגלם ותהליך הייצור.

תכנון מוכוון סטריאוכימיה

אחד העקרונות המרכזיים בסינתזה אורגנית של תרכובות מתקדמות הוא הצורך בקבלת תוצר בעל מבנה סטריאוכימי מוגדר, או קבלה של עודף אננטיומרי מובהק (ראו סינתזה אסימטרית).

תרשים תוצרים אפשריים בתגובות סינתטיות. בחלק העליון, תגובה סינתטית רגילה בה עשויים להתקבל שני האננטיומרים (רצמט), ובחלק התחתון, תגובה סינתטית אסימטרית המאפשרת קבלת תוצר אננטיומרי יחיד. התגובות האסימטריות מאפשרות חיסכון משמעותי בשלבי ההפרדה והטיהור בזכות העדר תוצרי לוואי. והיא משמעותית במיוחד בתעשיית התרופות.

קבוצות הגנה

הכימאי הבוחר בשיטת סינתזה כלשהי חייב להיות מודע לבעיות העלולות להתעורר במהלך הסינתזה. יש לוודא שכל שלב ושלב יצא לפועל כמתוכנן. יש גם להביא בחשבון אפשרות כי שלב מסוים עשוי לפעול באתר לא רצוי במולקולה. במקרה כזה יש להגן על האתר הרגיש להתקפת הגורם המסוים באמצעות "קבוצת הגנה". קבוצה זאת אפשר להרחיק בשלב מסוים בהמשך הסינתזה ובכך להשיב את האתר המוגן לקדמותו.

לדוגמה, חיזור ישיר של התרכובות באמצעות ליתיום אלומיניום הידריד יביא לחיזור מלא של שתי קבוצות הקרבוניל (הקטון והאסטר). במידה ויש צורך בחיזור של קבוצת האסטר בלבד, אזי יש להוסיף הגנה על קבוצת הקטון, לדוגמה, באמצעות הפיכתו לאצטל על ידי הוספת אתילן גליקול בתנאים חומציים. לאחר מכן ניתן לבצע את החיזור עם LiAlH4 ולבסוף, ביצוע של הורדת קבוצת ההגנה (בדוגמה, בתנאים חומציים).

מספר שלבי הסינתזה והניצולת

ככל שהתוצר המבוקש מורכב יותר במבנהו ניצב הכימאי האורגני בפני בעיות וגם אפשרויות רבות יותר, הנובעות בין השאר ממספר רב יותר של שלבי סינתזה. יחד עם זאת עשוי לגדול מספר התגובות הצדדיות הבלתי רצויות הנובעות מחשיפתם של אתרים שונים במולקולה להתקפה על ידי גורמים המשמשים בשלב כלשהו.

טיהור ובידוד של התוצר הסופי

בתכנון סינתזה יש לקחת בחשבון משמעויות הקשורות לפעולות הטיהור, הבידוד וההפרדה של התוצר הסופי מחומרי הלוואי במערכת. פעולות הטיהור והבידוד עשויות להאריך את זמן ההכנה הכללי של התוצר, ולייקר מאד את התהליך.

מיצוי נוזל-נוזל, הוא תהליך טיהור חשוב לבידוד חומרי ביניים בתהליך הסינתזה. כרומטוגרפיית עמודה (קולונה) המשמשת להפרדת תרכובות ולבידוד החומר הרצוי מתערובת התגובה. מערכת זיקוק בריק (וואקום) להפרדה פיזיקלית של תערובת חומרים. בתמונה הכימאית מזקקת ממס מתערובת המכילה תרכובת שסונתזה כתרופה אנטי-סרטנית. כימאי המבצע תהליך טיהור ובידוד של התוצר באמצעות מערכת כרומטוגרפית.

בטיחות

ערכים מורחבים – בטיחות וגיהות בתעסוקה, חומרים מסוכנים, גיליון בטיחות חומרים

ביצוע של סינתזה כימית אורגנית הוא תהליך מורכב המשלב אלמנטי סיכון גבוהים, לעיתים קרובות יותר מתהליכי סינתזה קלאסיים, בין היתר בשל העיסוק בתרכובות אורגניות שלהן עשויה להיות השפעה ביולוגית במקרה של חשיפה. תרכובות אורגניות רבות ידועות כמסרטנות, חלקן עשויות להיות רעילות מאד במקרה של חשיפה ישירה.

אם כן, תכנון של סינתזה אורגנית מחייב התייחסות לתהליך המלא בדגש על השימוש בחומרי הגלם, הציוד המעבדתי לקיום הסינתזה, מיגון אישי ושיטות הפעולה לנטרול והרחקת חומרי הפסולת.

על הכימאי להכיר את תכונות הכימיקלים אתם הוא עובד, ועל הסיכונים העשויים להיווצר בעת שימוש, אחסון או טיפול בחומר. מרבית המידע אודות נושאים אלו מופיע בגיליון הבטיחות של החומר MSDS. במהלך ביצוע הסינתזה הכימית על הכימאי להשתמש במיגון אישי: כפפות, חלוק ומשקפי מגן, ובאמצעים משלימים בהתאם למגיבים המשתתפים בתהליך הכימי, לדוגמה, חומצות או בסיסים חזקים מצריכים שימוש בסינרים וכפפות זרוע עשויות PVC ובמסכת הגנה מלאה לפנים. דוגמאות לחומרים נוספים בעלי אלמנטי סיכון גבוהים הן תרכובות אורגנו-מתכתיות פירופורייות, כלומר מתלקחים ועולים באש בקלות במגע עם חמצן או מים (מהאוויר), כגון בוטיל ליתיום, טרימתיל אלומיניום וליתיום אלומיניום הידריד.

שלבים מסוימים בתהליך הסינתטי עשויים לכלול שימוש בחומרי גלם רעילים הפולטות גזים מסוכנים, או בתרכובות פציצות (חומרי נפץ) הדורשות מערכות קירור, או מניעת חשמל סטטי, לעיתים יש צורך באטמוספירה אדישה (אינרטית) אז יש להשתמש במתקני עבודה ייעודים המכילים גז אדיש (כגון ארגון). שאר התהליך הסינתטי עשוי לדרוש שימוש במנדף כימי, שתפקידו למנוע חשיפה של גזים ופגיעה בעובד.

כימאי הלבוש בביגוד מיגון אישי (הכולל: כפפות, משקפי מגן וחלוק מעבדה) מבצע תגובה כימית בתוך מנדף כימי. שלושה מערכי סינתזה אורגנית המצויים בתוך מנדף כימי. כל מערך מורכב מגולת זכוכית ובה המגיבים. הגולה מחוברת למעבה ריפלקס שמטרתו ביצוע של תגובה בטמפרטורת הנידוף של הממס. בקצה המערכת נמצא בלון המכיל גז ארגון שתפקידו ליצור לחץ חיובי למניעת כניסת חמצן ואדי מים מהאוויר שעלולים להזיק למגיבים. מקור החימום כאן הם איזומנטלים (פלטות חימום חשמליות בצורת קערה). הבחירה במקור חימום חשמלי על פני להבה גלויה הוא בכדי להקטין את אלמנט הסיכון במקרה של שבר בכלי הזכוכית ויצירת דליקה. מנדף כימי ובו בקבוקי מגיבים (ראגנטים) אורגנים. המנדף הוא אתר העבודה העיקרי בו מבוצעות תגובות כימיות המערבים שימוש במגיבים נדיפים מסוכנים או גזים.

שילוב המחשב

ערכים מורחבים – כימיה חישובית, כימואינפורמטיקה, Chemical Abstracts Service

כניסתם של המחשבים וההתפתחויות ההולכות וגדלות בתחומי התוכנה וטכנולוגיות המידע מאפשרות לכימאים לתכנן ולבצע מחקר בצורה שלא הייתה בעבר. הספרות האקדמית והמחקרית זמינה לחוקרים בצורה דיגיטלית וניתנת לחיפוש באמצעות תוכנות ייעודיות המחוברות למאגרי מידע אינטרנטיים עצומים, המאפשרים ביצוע חיפוש אחר מבנים של תרכובות כימיות ותכונותיהן הכימיות והפיזיקליות מתוך מאגר של מיליוני חומרים.

ישנן תוכנות המאפשרות ביצוע של סימולציות ממוחשבות לחיזוי התנהגות כימית של חומרים, ולניבוי מהלכן של תגובות כימיות על תוצריהן בסביבות מרובות משתנים.

הגישה למערכות המידע הכימיות מאפשרות לחוקרים לצפות בשיטות סינתטיות להכנת חומרים, בדגש על שיטות להפיכת קבוצות פונקציונליות, והתאמתם של מגיבים להפיכות כימיות. הכימאי יכול לבחור בתנאים אופטימליים לביצוע סינתזה מסוימת באמצעות הנתונים שיסופקו לו על ידי המחשב.

תוכנות מחשב בשימושו של הכימאי

ציוני דרך בהתפתחות הסינתזה האורגנית

אנימציה של סינתזת ולר (שנת 1828), המתארת את הייצור של שתנן (אוריאה) מתרכובות המוצא האי-אורגניות אשלגן ציאנט ואמוניום גופרתי.

• 1828 - פרידריך ולר מסתנז שתנן (אוריאה) מתרכובות מוצא אי-אורגניות (מאשלגן ציאנט ואמוניום גופרתי) - זו הייתה הפעם הראשונה בה תרכובת אורגנית יוצרה במעבדה ללא חומרי מוצא ביולוגים.
• 1856 - ויליאם הנרי פרקין מנסה לסנתז כינין אך במקום זאת מייצר את חומר הצבע מאובין (Mauveine) - צבען אורגני כלכלי שהביא להגברת העניין במדע הכימיה האורגנית.
• 1858 - פרידריך אוגוסט קקולה וארצ'יבלד סקוט קופר מפתחים את תיאורית הקישור והשלד של תרכובות פחמן בדגש על טבעות פחמניות.
• 1899 - הכימאי הגרמני פליקס הופמן מצליח לסנתז גרסה טהורה ויציבה של  חומצה אצטילסליצילית (אספירין) וחברת באייר (בה עבד הופמן) מתחילה בשיווק המסחרי של תרופה זו, שלימים תהה אחת מהתרופות הידועות והנמכרות ביותר בעולם.

פרסי נובל לכימיה בתחום של הסינתזה האורגנית

רוברט ברנס וודוורד (1917-1979) כימאי אורגני פורץ דרך בתחום הסינתזה המוחלטת של תרכובות אורגניות. בתמונה: בהרצאה על מבנה הכלורופיל, 1965.

• 1902 - הרמן אמיל פישר - על עבודתו בסינתזת סוכר ופורין.
• 1905 - אדולף פון באייר - על עבודתו בסינתזה של צבענים אורגניים ותרכובת הידרוארומטיות ובעיקר על האינדיגו, וכן על פיתוח הנומנקלטורה של תרכובות ציקליות.
• 1912 - ויקטור גריניאר ופול סבטייה - על תגובת גריניאר ועל פיתוח שיטות הידרוגינציה של תרכובות אורגניות.
• 1930 - האנס פישר - על הכימיה של הורמני המין ושל הכלורופיל.
• 1933 - תאדיאוש רייך שטיין - ויטמין C. 
• 1937 - וולטר הוורת' ופאול קארר - על קרוטנואידים, פלאבינים והויטמינים A ו-B₂ ו-C.
• 1939 - אדולף בוטנאנדט - על הכימיה של הורמני המין. לבוסלב רוז'יצ'קה - על הכימיה של פולימתילנים וטרפנים גבוהים.
• 1947 - סר רוברט רובינסון - על מחקריו בתוצרי צמחים, במיוחד אלקלואידים.
• 1950 - אוטו פאול הרמן דילס, קורט אלדר - על גילוי ופיתוח תגובת דילס-אלדר.
• 1965 - רוברט ברנס וודוורד - על הישגיו בתחום הסינתזה האורגנית המוחלטת.
• 1979 - הרברט בראון גיאורג ויטיג - על הפיתוח והשימוש בתרכובות מבוססות בורון וזרחן, בהתאמה, בתור מגיבים בסינתזה אורגנית - תגובות ויטיג.
• 1981 - קניצ'י פוקוי רואלד הופמן - על התאוריות שפיתחו בעניין מהלכן של תגובות כימיות.
• 1990 - אליאס ג'יימס קורי - על פיתוח התאוריה והמתודולוגיה של סינתזה אורגנית.
• 1996 - ריצ'רד סמליי, רוברט קורל, הארי קרוטו - על גילוי הפולרן.
• 2001 - ויליאם נולס, ריוג'י נויורי, קארל בארי שארפלס - על פיתוח של תגובות כימיות מזורזות כיראלית.
• 2005 - רוברט גרבס, ריצ'רד שרוק, איב שובין - על פיתוח זרז יעיל לתגובת מטתזה.
• 2010 - ריצ'רד הק, אי איצ'י נגישי, אקירה סוזוקי - על ריאקציות מצומדות בעזרת קטליזטור פלדיום בסינתזה אורגנית.
• 2016 - ז'אן פייר סוואז', פרייזר סטודרט, בן פרינחה - על התכנון והסינתזה של מכונות מולקולריות.

ראו גם

• סינתזה
• כימיה אורגנית
• כימיה ירוקה
• קבוצות פונקציונליות
• הנדסת כימיה

לקריאה נוספת

• ארוין גלוטר, כימיה אורגנית, הוצאת האוניברסיטה העברית בירושלים, 1994
• David R. Klein, Organic Chemistry, 2nd Edition, Wiley ,2015

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא סינתזה אורגנית בוויקישיתוף

• SynArchive - אתר העוסק בסינתזה אורגנית