La síntesis orgánica es una rama de la síntesis química que se ocupa de la construcción de compuestos orgánicos . Los compuestos orgánicos son moléculas que consisten en combinaciones de átomos de hidrógeno , carbono , oxígeno y nitrógeno unidos covalentemente . Dentro del tema general de la síntesis orgánica, existen muchos tipos diferentes de rutas sintéticas que se pueden completar, incluidas la síntesis total , [1] la síntesis estereoselectiva , [2] la síntesis automatizada , [3] y muchas más. Además, para comprender la síntesis orgánica es necesario estar familiarizado con la metodología, las técnicas y las aplicaciones del tema.
Una síntesis total se refiere a la síntesis química completa de moléculas a partir de precursores naturales simples . [1] La síntesis total se logra mediante un enfoque lineal o convergente. En una síntesis lineal , a menudo adecuada para estructuras simples, se realizan varios pasos secuencialmente hasta que la molécula está completa; los compuestos químicos producidos en cada paso se denominan intermediarios sintéticos . [1] La mayoría de las veces, cada paso de una síntesis es una reacción separada que tiene lugar para modificar los materiales de partida. Para moléculas más complejas, puede ser más adecuado un enfoque sintético convergente . Este tipo de esquema de reacción implica la preparación individual de varios intermediarios clave, que luego se combinan para formar el producto deseado. [4]
Robert Burns Woodward , quien recibió el Premio Nobel de Química en 1965 por varias síntesis totales [5], incluida su síntesis de estricnina , [6] es considerado el abuelo de la síntesis orgánica moderna. [7] Algunos ejemplos más recientes de síntesis incluyen las síntesis totales de Wender , [8] Holton , [9] Nicolaou , [10] y Danishefsky [11] del fármaco contra el cáncer paclitaxel (nombre comercial Taxol). [12]
Antes de comenzar cualquier síntesis orgánica, es importante comprender las reacciones químicas , los reactivos y las condiciones requeridas en cada paso para garantizar la formación exitosa del producto. Al determinar las condiciones de reacción óptimas para una síntesis dada, el objetivo es producir un rendimiento adecuado de producto puro con la menor cantidad de pasos posible. [13] Al decidir las condiciones para una reacción, la literatura puede ofrecer ejemplos de condiciones de reacción anteriores que se pueden repetir, o se puede desarrollar y probar una nueva ruta sintética. Para aplicaciones industriales prácticas, se deben considerar condiciones de reacción adicionales que incluyan la seguridad tanto de los investigadores como del medio ambiente, así como la pureza del producto. [14]
La síntesis orgánica requiere de muchos pasos para separar y purificar los productos. Dependiendo del estado químico del producto a aislar, se requieren diferentes técnicas. Para productos líquidos, una técnica de separación muy común es la extracción líquido-líquido y para productos sólidos, se puede utilizar la filtración (gravedad o vacío). [15] [16]
La extracción líquido-líquido utiliza la densidad y polaridad del producto y los solventes para realizar una separación. [16] Basándose en el concepto de "lo similar se disuelve en lo similar", los compuestos no polares son más solubles en solventes no polares, y los compuestos polares son más solubles en solventes polares. [17] Al utilizar este concepto, la solubilidad relativa de los compuestos se puede explotar añadiendo solventes inmiscibles en el mismo matraz y separando el producto en el solvente con la polaridad más similar. La miscibilidad del solvente es de gran importancia ya que permite la formación de dos capas en el matraz, una capa que contiene el material de reacción secundaria y otra que contiene el producto. Como resultado de las diferentes densidades de las capas, la capa que contiene el producto se puede aislar y la otra capa se puede eliminar.
Muchas reacciones requieren calor para aumentar la velocidad de reacción. [18] Sin embargo, en muchas situaciones, el aumento de calor puede hacer que el disolvente hierva sin control, lo que afecta negativamente a la reacción y puede reducir potencialmente el rendimiento del producto. Para abordar este problema, se pueden instalar condensadores de reflujo en el material de vidrio de reacción. Los condensadores de reflujo son piezas de vidrio especialmente calibradas que poseen dos entradas para que el agua entre y salga a través del vidrio en contra de la gravedad. Este flujo de agua enfría cualquier sustrato que se escape y lo condensa nuevamente en el matraz de reacción para continuar reaccionando [19] y garantizar que todo el producto esté contenido. El uso de condensadores de reflujo es una técnica importante dentro de las síntesis orgánicas y se utiliza en los pasos de reflujo, así como en los pasos de recristalización.
Cuando se utiliza para calentar una solución a reflujo, se colocan condensadores de reflujo y se observan de cerca. El reflujo se produce cuando se puede ver que la condensación gotea hacia el matraz de reacción desde el condensador de reflujo; 1 gota cada segundo o unos pocos segundos. [19]
Para la recristalización , la solución que contiene el producto se equipa con un condensador y se lleva a reflujo nuevamente. El reflujo se completa cuando la solución que contiene el producto es transparente. Una vez transparente, la reacción se retira del fuego y se deja enfriar, lo que hará que el producto vuelva a precipitar, obteniéndose un producto más puro. [20]
Los productos sólidos se pueden separar de una mezcla de reacción mediante técnicas de filtración . Para obtener productos sólidos se puede utilizar un aparato de filtración al vacío.
La filtración al vacío utiliza succión para extraer líquido a través de un embudo Büchner equipado con papel de filtro, que atrapa el producto sólido deseado. [15] Este proceso elimina cualquier solución no deseada en la mezcla de reacción al introducirla en el matraz de filtración y dejar que el producto deseado se recoja en el papel de filtro.
Los productos líquidos también se pueden separar de los sólidos mediante filtración por gravedad . [15] En este método de separación, el papel de filtro se dobla en un embudo y se coloca en la parte superior de un matraz de reacción. Luego, la mezcla de reacción se vierte a través del papel de filtro , a una velocidad tal que el volumen total de líquido en el embudo no exceda el volumen del embudo. [15] Este método permite separar el producto de otros componentes de la reacción por la fuerza de la gravedad, en lugar de un vacío.
La mayoría de los productos naturales complejos son quirales, [2] [21] y la bioactividad de las moléculas quirales varía con el enantiómero . [22] Algunas síntesis totales apuntan a mezclas racémicas , que son mezclas de ambos enantiómeros posibles . Luego se puede seleccionar un solo enantiómero mediante resolución enantiomérica .
A medida que la química se ha desarrollado , se han introducido métodos de catálisis estereoselectiva y resolución cinética mediante los cuales se pueden dirigir las reacciones, produciendo solo un enantiómero en lugar de una mezcla racémica. [23] Los primeros ejemplos incluyen hidrogenaciones estereoselectivas (por ejemplo, como informaron William Knowles [24] y Ryōji Noyori [25] ) y modificaciones de grupos funcionales como la epoxidación asimétrica de Barry Sharpless ; [26] por estos avances en la preferencia estereoquímica, estos químicos fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 2001. [27] Estas reacciones estereoquímicas preferenciales brindan a los químicos una elección mucho más diversa de materiales enantioméricamente puros.
Mediante el uso de técnicas desarrolladas por Robert B. Woodward junto con avances en la metodología sintética, los químicos han podido sintetizar moléculas complejas estereoquímicamente selectivas sin racemización. El estereocontrol proporciona las moléculas objetivo para sintetizarlas como enantiómeros puros (es decir, sin necesidad de resolución). Estas técnicas se conocen como síntesis estereoselectiva .
Muchos procedimientos sintéticos se desarrollan a partir de un marco retrosintético , un tipo de diseño sintético desarrollado por Elias James Corey , por el que ganó el Premio Nobel de Química en 1990. [28] En este enfoque, la síntesis se planifica hacia atrás a partir del producto, lo que obliga a las reglas químicas estándar. [1] Cada paso descompone la estructura original en componentes alcanzables, que se muestran mediante el uso de esquemas gráficos con flechas retrosintéticas (dibujadas como ⇒, que en efecto significa "está hecho de"). La retrosíntesis permite la visualización de los diseños sintéticos deseados.
Un desarrollo reciente dentro de la síntesis orgánica es la síntesis automatizada . Para llevar a cabo la síntesis orgánica sin la intervención humana, los investigadores están adaptando los métodos y técnicas sintéticos existentes para crear procesos sintéticos completamente automatizados utilizando software de síntesis orgánica . Este tipo de síntesis es ventajoso ya que la automatización sintética puede aumentar el rendimiento con reacciones "fluidas" continuas. En la química de flujo , los sustratos se introducen continuamente en la reacción para producir un mayor rendimiento . Anteriormente, este tipo de reacción estaba reservada para la química industrial a gran escala, pero recientemente ha pasado a la química a escala de laboratorio para mejorar la eficiencia de las reacciones a menor escala. [3]
Actualmente, SRI International , un instituto de investigación sin fines de lucro, está integrando la síntesis automatizada en su trabajo . Recientemente, SRI International ha desarrollado Autosyn, un sintetizador químico automatizado de múltiples pasos que puede sintetizar muchos fármacos de moléculas pequeñas aprobados por la FDA . Este sintetizador demuestra la versatilidad de los sustratos y la capacidad de expandir potencialmente el tipo de investigación realizada sobre nuevas moléculas de fármacos sin intervención humana. [29]
La química automatizada y los sintetizadores automatizados utilizados demuestran una dirección potencial para la química sintética en el futuro.
La caracterización es necesaria para la síntesis orgánica . La caracterización se refiere a la medición de las propiedades químicas y físicas de un compuesto determinado y se presenta en muchas formas. Algunos ejemplos de métodos de caracterización comunes incluyen: resonancia magnética nuclear (RMN), [30] espectrometría de masas , [31] espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), [32] y análisis del punto de fusión. [33] Cada una de estas técnicas permite que un químico obtenga información estructural sobre un compuesto orgánico recién sintetizado. Dependiendo de la naturaleza del producto, el método de caracterización utilizado puede variar.
La síntesis orgánica es un proceso químico importante que forma parte integral de muchos campos científicos. Entre los ejemplos de campos más allá de la química que requieren síntesis orgánica se incluyen la industria médica , la industria farmacéutica y muchos más. Los procesos orgánicos permiten la creación a escala industrial de productos farmacéuticos. Un ejemplo de este tipo de síntesis es el ibuprofeno . El ibuprofeno se puede sintetizar a partir de una serie de reacciones que incluyen: reducción , acidificación , formación de un reactivo de Grignard y carboxilación . [34]
En la síntesis de ibuprofeno propuesta por Kjonass et al ., la p -isobutilacetofenona, el material de partida, se reduce con borohidruro de sodio (NaBH 4 ) para formar un grupo funcional alcohol . El intermedio resultante se acidifica con HCl para crear un grupo cloro. Luego, el grupo cloro se hace reaccionar con virutas de magnesio para formar un reactivo de Grignard. [34] Este Grignard se carboxila y el producto resultante se procesa para sintetizar ibuprofeno.
Esta ruta sintética es sólo una de las muchas reacciones de relevancia médica e industrial que se han creado y siguen utilizándose.
