有機合成

有機合成は、有機化合物の構築に関わる化学合成の分野です。有機化合物は、共有結合した水素、炭素、酸素、窒素原子の組み合わせからなる分子です。有機合成という一般的な主題には、全合成、^[1]、立体選択的合成、^[2]、自動合成、^[3]など、完了できるさまざまな種類の合成経路があります。さらに、有機合成を理解するには、この主題の方法論、技術、およびアプリケーションに精通している必要があります。

全合成とは、単純な天然の前駆物質から分子を完全に化学合成することです。^[1]全合成は、線形または収束的アプローチのいずれかで達成されます。線形合成では、分子が完成するまでいくつかのステップが順番に実行されます。各ステップで生成される化合物は合成中間体と呼ばれます。^[1] ほとんどの場合、合成の各ステップは、出発物質を変更するために行われる個別の反応です。より複雑な分子の場合は、収束的合成アプローチの方が適している場合があります。このタイプの反応スキームでは、いくつかの主要な中間体を個別に準備し、それらを組み合わせて目的の製品を形成します。^[4]

ロバート・バーンズ・ウッドワードは、ストリキニーネ^[6 ]の合成を含むいくつかの全合成^[5]により1965年のノーベル化学賞を受賞し、近代有機合成の祖とみなされています。^[7] 現代の合成例としては、ウェンダース^[8]、ホルトン^[9]、ニコラウ^[10]、ダニシェフスキー^[11]による抗がん剤パクリタキセル（商品名タキソール）の全合成^[12]などがあります。

有機合成を始める前に、各ステップで必要な化学反応、試薬、条件を理解し、生成物の形成を成功させることが重要です。特定の合成に最適な反応条件を決定する際の目標は、できるだけ少ないステップで十分な収量の純粋な生成物を生成することです。 ^[13]反応条件を決定する際には、文献に記載されている過去の反応条件の例を繰り返すか、新しい合成経路を開発してテストすることができます。実際の産業用途では、研究者と環境の両方の安全性、および生成物の純度を含む追加の反応条件を考慮する必要があります。^[14]

有機合成では、生成物を分離・精製するために多くのステップが必要です。分離する生成物の化学状態に応じて、異なる技術が必要です。液体生成物の場合、非常に一般的な分離技術は液液抽出であり、固体生成物の場合は濾過（重力または真空）を使用できます。^{[15] [16]}

液液抽出では、生成物と溶媒の密度と極性を利用して分離を行います。^[16]「同類は同類に溶解する」という概念に基づき、非極性化合物は非極性溶媒に溶けやすく、極性化合物は極性溶媒に溶けやすいです。^[17]この概念を使用すると、混和しない溶媒を同じフラスコに加え、生成物を最も極性の近い溶媒に分離することで、化合物の相対的な溶解度を利用できます。溶媒の混和性は、フラスコ内に2つの層を形成できるため、非常に重要です。1つの層には副反応物質が含まれ、もう1つの層には生成物が含まれます。層の密度が異なるため、生成物を含む層を分離し、もう1つの層を取り除くことができます。

多くの反応では、反応速度を上げるために熱が必要です。^[18]しかし、多くの場合、熱が増加すると溶媒が制御不能に沸騰し、反応に悪影響を与え、潜在的に生成物の収率が低下する可能性があります。 この問題に対処するために、反応ガラス器具に還流コンデンサーを取り付けることができます。還流コンデンサーは、重力に逆らってガラスに出入りする水のための2つの入口を備えた特別に調整されたガラス器具です。 この水の流れにより、逃げる基質が冷却され、反応フラスコに戻されて反応が継続し、 ^[19]すべての生成物が確実に封じ込められます。 還流コンデンサーの使用は、有機合成における重要な技術であり、還流ステップと再結晶ステップで利用されています。

溶液を還流させる場合は、還流冷却器を取り付けて注意深く観察します。還流冷却器から反応フラスコに滴り落ちる凝縮液が見られれば還流が起こります。1秒または数秒ごとに1滴です。 ^[19]

再結晶化のために、生成物を含む溶液に凝縮器を取り付け、再び還流させる。生成物を含む溶液が透明になったら還流は完了である。透明になったら、反応を火から下ろして冷却すると、生成物が再沈殿し、より純粋な生成物が得られる。^[20]

固体生成物は、濾過技術を使用して反応混合物から分離できます。固体生成物を得るために、真空濾過装置を使用できます。

真空ろ過では、吸引力を利用して、ろ紙を取り付けたブフナー漏斗を通して液体を吸引し、目的の固体生成物を捕らえます。^[15]このプロセスでは、反応混合物中の不要な溶液をろ過フラスコに引き込み、目的の生成物をろ紙上に集めることで、不要な溶液を除去します。

液体生成物は、重力濾過を使用して固体から分離することもできます。^[15]この分離方法では、濾紙を漏斗の中に折り畳み、反応フラスコの上に置きます。次に、反応混合物を濾紙に注ぎます。漏斗内の液体の総量が漏斗の容量を超えないような速度で注ぎます。^[15]この方法では、真空ではなく重力の力によって生成物を他の反応成分から分離することができます。

複雑な天然物のほとんどはキラルであり^{[2] [21]}、キラル分子の生物活性はエナンチオマーによって異なります。^[22]一部の全合成では、両方のエナンチオマーの混合物であるラセミ混合物をターゲットとしています。その後、エナンチオマー分解によって単一のエナンチオマーを選択できます。  

化学が発展するにつれて、立体選択的触媒や速度論的分割の方法が導入され、反応を方向づけてラセミ混合物ではなく1つのエナンチオマーのみを生成することができるようになりました。^[23]初期の例としては、立体選択的水素化（例えば、ウィリアム・ノウルズ^[24]や野依良治^{[25]によって報告されたもの）や、}バリー・シャープレスによる不斉エポキシ化などの官能基修飾があります。^[26]これらの立体化学的優先性の進歩により、これらの化学者は2001年にノーベル化学賞を受賞しました。 ^[27]このような優先的な立体化学反応により、化学者はエナンチオマー的に純粋な物質のより多様な選択肢を得ることができます。

ロバート B. ウッドワードが開発した技術と合成方法の進歩により、化学者はラセミ化を起こさずに立体化学的に選択的な複雑な分子を合成できるようになりました。立体制御により、合成する対象分子は純粋なエナンチオマーとして（つまり、分割の必要がなく）得られます。このような技術は立体選択的合成と呼ばれます。

多くの合成手順は、エリアス・ジェームズ・コーリーが開発した合成設計の一種である逆合成フレームワークから開発されており、コーリーはこの手法で1990年にノーベル化学賞を受賞しました^。[28]このアプローチでは、標準的な化学法則に従って、生成物から逆方向に合成を計画します。^{[1]各ステップでは、親構造を達成可能なコンポーネントに分解し、}逆合成矢印（「〜から作られている」という意味の「⇒」で描画）を使用したグラフィカルなスキームを使用して示します。逆合成により、目的の合成設計を視覚化できます。

有機合成における最近の進歩は、自動合成である。人間の関与なしに有機合成を行うために、研究者は既存の合成方法と技術を応用し、有機合成ソフトウェアを使用して完全に自動化された合成プロセスを作成している。このタイプの合成は、合成自動化により継続的な「フロー」反応で収率を向上できるため有利である。フロー化学では、基質が反応に継続的に供給され、より高い収率が得られる。以前は、このタイプの反応は大規模な工業化学に限定されていたが、最近では小規模での反応の効率を向上させるためにベンチスケールの化学に移行している。^[3]

現在、自動合成を研究に取り入れているのは、非営利の研究機関であるSRIインターナショナルです。最近、SRIインターナショナルは、多くのFDA承認の低分子医薬品を合成できる自動多段階化学合成装置であるAutosynを開発しました。この合成装置は、基質の汎用性と、人間の介入なしに新しい薬物分子に関する研究の種類を拡大する能力を実証しています。^[29]

自動化された化学と、使用される自動化された合成装置は、将来の合成化学の潜在的な方向性を示しています。

有機合成には特性評価が必要です。特性評価とは、特定の化合物の化学的および物理的特性の測定を指し、さまざまな形で行われます。一般的な特性評価方法の例には、核磁気共鳴法（NMR）^[30] 、質量分析法^{[31] 、} フーリエ変換赤外分光法（FTIR）^[32]、融点分析法^[33]などがあります。これらの各技術により、化学者は新しく合成された有機化合物の構造情報を得ることができます。製品の性質に応じて、使用される特性評価方法は異なる場合があります。

有機合成は、多くの科学分野に不可欠な重要な化学プロセスです。化学以外で有機合成を必要とする分野の例としては、医療産業、製薬産業などがあります。有機プロセスにより、医薬品を工業規模で製造することができます。そのような合成の例としては、イブプロフェンがあります。イブプロフェンは、還元、酸性化、グリニャール試薬の形成、カルボキシル化などの一連の反応から合成できます。^[34]

Kjonassらが提案したイブプロフェンの合成では、出発物質であるp-イソブチルアセトフェノンを水素化ホウ素ナトリウム（NaBH ₄）で還元してアルコール 官能基を形成します。得られた中間体をHClで酸性化して塩素基を生成します。次に塩素基をマグネシウムの削りくずと反応させてグリニャール試薬を形成します。^[34]このグリニャールをカルボキシル化し、得られた生成物を加工してイブプロフェンを合成します。

この合成経路は、これまでに作成され、使用され続けている、医学的および産業的に関連する多くの反応のうちの 1 つにすぎません。

• 自動合成
• 電気合成
• 有機合成法（ジャーナル）
• 有機合成（ジャーナル）

• Corey EJ ; Cheng, XM (1995).化学合成の論理. ニューヨーク、NY: John Wiley & Sons . ISBN 978-0471115946。

ウィキメディア・コモンズには、有機合成に関連するメディアがあります。

• 有機合成アーカイブ
• 化学合成データベース
• https://web.archive.org/web/20070927231356/http://www.webreactions.net/search.html
• https://www.organic-chemistry.org/Synthetic/
• ハンス・ライヒ教授の天然物合成コレクション
• 化学合成セマンティックウィキ