化学合成

化学合成（化学結合）は、化学反応を人工的に実行して1つまたは複数の製品を得ることです。^{[1]これは通常、1つ以上の反応を伴う}物理的および化学的操作によって行われます。現代の研究室での使用では、このプロセスは再現性があり、信頼性があります。

化学合成には、特定の条件下で変化する1つ以上の化合物（試薬または反応物と呼ばれる）が含まれます。さまざまな反応タイプを適用して、目的の製品を配合できます。これには、化学反応器や単純な丸底フラスコなどの反応容器で化合物を混合する必要があります。多くの反応では、最終製品を分離するために何らかの処理（「ワークアップ」）または精製手順が必要です。 ^[1]

化学合成によって生成される量は、反応収率として知られています。通常、収率はグラム単位の質量（実験室環境の場合）、または制限試薬に基づいて生成できる理論上の総量に対するパーセンテージとして表されます。副反応は、目的の収率を低下させる可能性のある望ましくない化学反応です。化学合成の歴史は、 1828年にフリードリヒ・ヴェーラーがシアン酸アンモニウムから尿素を合成したことから始まりました。これは、有機化合物には「生命力」が必要であるという考えに挑戦したものでした。^[2]合成という言葉を化学の文脈で初めて使用したのは、化学者ヘルマン・コルベです。^[3]

グリーンケミストリーは、廃棄物を減らし、反応効率を改善することで、化学合成をより持続可能にすることに重点を置いています。化学合成は現実世界で多くの用途に使用されています。

化学合成では、反応物A を反応生成物 B に直接変換するだけよりも複雑な、効率的で正確な分子変換を達成するためにさまざまな戦略を採用しています。これらの戦略は、反応シーケンスを管理するためのアプローチに分類できます。

反応シーケンス:

多段階合成には連続的な化学反応が含まれ、それぞれが次の段階に進む前に中間体を単離するための独自の作業を必要とする。^[4]たとえば、パラセタモールの合成には通常、3つの別々の反応が必要である。発散合成は共通の中間体から始まり、異なる反応経路を経て複数の最終生成物に分岐する。収束合成では、独立して合成された複数の中間体を組み合わせて複雑な最終生成物を作成する。ワンポット合成では、同じ容器内で複数の反応が行われるため、中間体を単離することなく連続的な変換が可能になり、材料の損失、時間、および追加の精製の必要性が削減される。ワンポット合成の特定のタイプであるカスケード反応は、単一の反応物内での連続的な変換を可能にすることでプロセスをさらに合理化し、リソースの消費を最小限に抑える。

触媒戦略:

触媒は、反応を加速し、特定の変換を可能にすることで、化学合成において重要な役割を果たします。光酸化還元触媒は、小分子の活性化と金属触媒の酸化状態を調節することで、反応条件の制御を強化します。生体触媒は、酵素を触媒として使用し、穏やかな条件下で高い特異性で化学反応を加速します。

反応性制御:

化学選択性により、分子内の特定の官能基が反応し、他の官能基は影響を受けないことが保証されます。保護基は、反応部位を一時的にマスクして、選択的な反応を可能にします。速度論的制御は、生成物を迅速に形成する反応経路を優先し、多くの場合、安定性の低い化合物を生成します。対照的に、熱力学的制御は、最も安定した生成物の形成を優先します。

高度な計画とテクニック:

逆合成分析は、標的分子をより単純な前駆体に分解することで複雑な合成を計画するために使用される戦略です。フローケミストリーは、反応物が反応器に送り込まれる連続反応方法であり、反応条件とスケーラビリティを正確に制御できます。このアプローチは、タモキシフェンなどの医薬品の大規模生産に採用されています。^[5]

有機合成は、有機化合物の合成を扱う特殊なタイプの化学合成です。複雑な生成物の全合成では、目的の生成物を合成するために複数の手順を順番に実行する必要がある場合があり、多くの時間を必要とします。純粋に合成された化学合成は、基本的な実験室化合物から始まります。半合成プロセスは、植物や動物の天然物から始まり、それらを新しい化合物に変更します。

SN1は、中心炭素と脱離基の間で2つのステップを伴う求核置換反応の一種です。最初のステップは、中心原子と脱離基の間の結合が切断され、カルボカチオンが形成される、遅い、律速段階です。^{[6] 2番目のステップは、求核剤が空の}カルボカチオンを攻撃するため、より速くなります。

分子中の脱離基を除去し、新たなC-Nu結合を形成する。SN1反応は、第二級または第三級アルキルハライドと最も一般的に反応し、第三級アルキルハライドが最も反応に最適な分子である。^[6]

SN1と同様に、SN2は中心炭素と脱離基の間で2つのステップを伴う求核置換反応の一種である。SN2反応は協奏的であり、1ステップのプロセスであることを意味する。 ^[7]

これは求核剤が求電子性炭素を攻撃し、同時に脱離基と炭素の結合が切断されるプロセスです。求核剤からの孤立電子対のセットがアルキルハライドの求電子性炭素を攻撃してsp2遷移状態を形成し、次に新しいC-Nu結合を形成します。SN2反応は第一級または第二級アルキルハライドと最もよく反応し、第一級アルキルハライドが最も反応するのに最適な分子です。^[7]

鈴木-宮浦クロスカップリングは、パラジウム触媒を用いてボロン酸を有機ハロゲン化物にクロスカップリングさせる金属触媒反応である。^{[8] [9]}この反応は、アルケン、スチレン、ビアリール化合物などの化合物の共役系を作るために新しい炭素-炭素結合を作るのに使われる。^{[10]鈴木カップリングには、}酸化的付加、金属交換、還元的脱離の3つのステップが含まれる。

鈴木-宮浦クロスカップリングには、穏やかな反応条件で反応でき、出発物質が入手しやすいという利点があるため、さまざまな用途があります。また、ボロン酸は市場での取り扱いや入手が容易なため、毒性が低いことでも知られています。この反応は、工業化学や医薬品で重要な化合物であるビアリールの合成によく使用されます。^[11]医療分野では、医薬品の生物活性分子を製造する重要なステップとしてビアリールが使用されています。ビアリールは、高い親和性を持ち、生物学的活性のために複数の受容体に結合する構造です。^[11]その他の用途には、電子チップ絶縁用のポリマーの製造や、有機発光ダイオード用の化合物の使用などがあります。さらに、鈴木-宮浦クロスカップリングはポリマー合成にも応用されています。

ポリマーはモノマーから作られる長鎖の繰り返し分子であり、モノマーは共有結合によって結合してポリマー構造を形成します。^[12]ポリマー合成は、特定の種類の病気の診断、治療、予防に役立つ医療用ナノ材料の作成に不可欠であるため、材料化学や医療分野で応用されています。 ^{[13]ポリマー合成反応には、}縮合重合と付加重合の2つのグループがあります。

縮合重合では、小さな分子（多くの場合は水）を除去してポリマーを形成します。これは、2 つの異なる二官能性または三官能性モノマーの間で起こります。さらに、重合では、ポリマーの成長に、フリーラジカル、アニオン、カチオン、または有機金属錯体などの反応中心を持つ開始剤種を生成する開始剤が必要です。

無機合成と有機金属合成は、無機成分を多く含む化合物を合成するために使用されます。一例として、テトラクロロ白金酸カリウムから抗癌剤シスプラチンを合成する方法が挙げられます。^[14]

無機合成は非常に複雑で、複数の中間体と基本ステップを伴います。以下に概説するステップは、無機合成中に発生する可能性のあるステップの種類の一部です。

酸化的付加反応には、金属中心と少なくとも2つの原子を持つ分子が関与します。原子は同じ種であってもかまいませんが、必ずしもそうである必要はありません。2つの原子間の結合が切断され、それらの原子と金属中心の間に2つの新しい結合が形成されます。^[15]

これは、原子AとBが金属を酸化するため「酸化的」と呼ばれます。つまり、金属の酸化状態は、酸化的付加が起こる前の金属の酸化状態と比較して+2です。^[15]

還元的脱離は酸化的付加の逆反応です。金属中心に結合した2つの原子AとBが関与します。還元的脱離では、原子AとBが互いに結合し、両方の原子が金属中心との結合を失います。^[16]

この反応は金属中心を還元するため「還元的」と呼ばれます。つまり、金属中心の酸化状態は、反応が起こる前よりも2低くなります。^[16]

配位子置換は、金属中心に結合した化学種が別の化学種に置き換えられるときに発生します。

会合置換反応では、まず、入ってくる配位子Yが金属中心に配位する。会合が完了した後にのみ、離脱する配位子Xが金属中心を離れ、置換反応が完了する。^[17]

このメカニズムは、配位子と電子の両方が不飽和な錯体、すなわち配位子数が6未満で価電子が18未満の錯体で起こる傾向がある。^[17]

最初のステップは一般に律速段階であり、反応速度は2次的であり、反応速度は金属中心の濃度と[Y]種の濃度の両方に依存する。^[17]

解離置換反応では、入ってくる配位子 Y が金属中心に配位する前に、出ていく配位子 X が金属中心から離れます。新しい配位子 Y は、X が完全に離れた後に金属中心に配位します。

このメカニズムは、完全に飽和した配位子、つまり 6 個の配位子と 18 個の価電子を持つ錯体で発生する傾向があります。

速度決定段階は解離段階になる傾向があります。したがって、速度は一次になる傾向があります。反応速度は金属中心の濃度に依存し、配位子 Y の濃度と性質の両方とは無関係です。

グリーンケミストリーを用いた化学合成は、操作を簡素化し、環境に優しい溶媒を求める新しい合成方法と装置の設計を促進します。重要な原則には、すべての反応原子を最終製品に組み込むことを目的とした原子経済と、化学プロセスにおける無駄と非効率性の削減が含まれます。グリーンケミストリーの革新は、より持続可能で効率的な化学合成に貢献し、従来の方法による環境と健康への影響を軽減します。^[18]

化学合成はさまざまな業界で重要な役割を果たし、現実世界に大きな影響を与える材料、医薬品、技術の開発を可能にします。

触媒：触媒の開発は、石油精製、石油化学製品の製造、汚染制御など、多くの産業プロセスにとって不可欠です。化学プロセスを通じて合成された触媒は、これらの操作の効率と持続可能性を高めます。^[20]

医学：有機合成は創薬において重要な役割を果たしており、化学者は有機分子を改変することで新薬を開発し、最適化することができます。^[20]さらに、医療用画像診断や癌治療のための金属錯体の合成は化学合成の重要な応用であり、高度な診断および治療技術を可能にします。^[21]

バイオ医薬品：化学合成は、モノクローナル抗体やその他の生物製剤を含むバイオ医薬品の製造に不可欠です。化学合成により、これらの治療に使用される有機化合物や生物由来の化合物の作成と変更が可能になります。DNA組み換え技術や細胞融合などの高度な技術は、化学合成を利用して特定の疾患に合わせた生物製剤を製造し、効果的に作用して疾患を正確に標的とすることを保証しています。^[22]

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