Полный синтез
Полный химический синтез сложной молекулы

Полный синтез , специализированная область органической химии , фокусируется на построении сложных органических соединений, особенно тех, которые встречаются в природе, с использованием лабораторных методов. [1] [2] [3] [4] Он часто включает синтез природных продуктов из основных, коммерчески доступных исходных материалов. Цели полного синтеза также могут быть металлоорганическими или неорганическими . [5] [6] В то время как полный синтез направлен на полное построение из простых исходных материалов, модификация или частичный синтез этих соединений известны как полусинтез .

Синтез натуральных продуктов служит важнейшим инструментом в различных научных областях. В органической химии он тестирует новые методы синтеза, проверяя и продвигая инновационные подходы. В медицинской химии синтез натуральных продуктов необходим для создания биоактивных соединений, стимулируя прогресс в открытии лекарств и терапевтических разработках. [7] Аналогично, в химической биологии он предоставляет исследовательские инструменты для изучения биологических систем и процессов. [8] Кроме того, синтез помогает исследованию натуральных продуктов, помогая подтверждать и прояснять структуры недавно выделенных соединений. [9] [10]

Область синтеза природных продуктов значительно продвинулась с начала 19 века благодаря усовершенствованию синтетических методов, аналитических методов и развитию понимания химической реакционной способности. [11] Сегодня современные синтетические подходы часто сочетают традиционные органические методы, биокатализ и химико-ферментативные стратегии для достижения эффективного и сложного синтеза, расширяя сферу применения и применимость синтетических процессов.

Ключевые компоненты синтеза натуральных продуктов включают ретросинтетический анализ , который включает планирование синтетических маршрутов путем работы в обратном направлении от целевой молекулы для разработки наиболее эффективного пути построения. Стереохимический контроль имеет решающее значение для обеспечения правильного трехмерного расположения атомов, что имеет решающее значение для функциональности молекулы. Оптимизация реакции повышает выход, селективность и эффективность, делая этапы синтеза более практичными. Наконец, соображения масштабирования позволяют исследователям адаптировать лабораторные синтезы для более крупного производства, расширяя доступность синтезированных продуктов. Эта развивающаяся область продолжает подпитывать достижения в разработке лекарств, материаловедении и нашем понимании разнообразия природных соединений. [12]

Область применения и определения

Существует множество классов природных продуктов, к которым применяется полный синтез. К ним относятся (но не ограничиваются): терпены , алкалоиды [13] , поликетиды [14] [15] и полиэфиры [16] . Цели полного синтеза иногда называют по их организменному происхождению, например, растительные, морские и грибковые [9] . Термин полный синтез реже, но все же точно применяется к синтезу природных полипептидов и полинуклеотидов . Пептидные гормоны окситоцин и вазопрессин были выделены, и их полный синтез впервые был описан в 1954 году. [17] Нередко целевые природные продукты включают в себя несколько структурных компонентов нескольких классов природных продуктов.

Цели

Хотя это неверно с исторической точки зрения (см. историю стероида, кортизона ), полный синтез в современную эпоху в значительной степени был академическим начинанием (с точки зрения рабочей силы, применяемой для решения проблем). Потребности в промышленной химии часто отличаются от академических фокусов. Как правило, коммерческие организации могут выбирать определенные направления усилий по полному синтезу и тратить значительные ресурсы на конкретные цели натурального продукта , особенно если полусинтез может быть применен к сложным, полученным из натурального продукта лекарствам . Тем не менее, в течение десятилетий [18] продолжалось обсуждение относительно ценности полного синтеза как академического предприятия. [19] [20] [21] Хотя есть некоторые исключения, общее мнение заключается в том, что полный синтез изменился за последние десятилетия, будет продолжать меняться и останется неотъемлемой частью химических исследований. [22] [23] [24] В рамках этих изменений все больше внимания уделяется улучшению практичности и рыночности методов полного синтеза. Группа Фила С. Барана в Скриппсе , выдающийся пионер практического синтеза, попыталась создать масштабируемые и высокоэффективные синтезы, которые могли бы найти более непосредственное применение за пределами академической сферы. [25] [26]

История

Общий синтез витамина B 12 : Ретросинтетический анализ общего синтеза Вудворда-Эшенмозера, который был представлен в двух вариантах этими группами в 1972 году. В работе участвовало более 100 стажеров и постдокторантов из 19 разных стран. Ретросинтез представляет разборку целевого витамина таким образом, который имеет химический смысл для его возможного прямого построения. Предполагается, что цель, витамин B 12 ( I ), будет получена путем простого добавления его хвоста, что ранее было показано как осуществимое. Необходимый предшественник, кобировая кислота ( II ), затем становится целью и составляет « корриновое ядро» витамина, и предполагалось, что его получение будет возможно с помощью двух частей: «западной» части, состоящей из колец A и D ( III ), и «восточной» части, состоящей из колец B и C ( IV ). Затем рестросинтетический анализ предполагает исходные материалы, необходимые для создания этих двух сложных частей, еще более сложных молекул V – VIII .

В 1828 году Фридрих Вёлер открыл, что органическое вещество, мочевина , может быть получено из неорганических исходных материалов. Это стало важной концептуальной вехой в химии, поскольку стало первым примером синтеза вещества, которое было известно только как побочный продукт жизненных процессов. [2] Вёлер получил мочевину , обрабатывая цианат серебра хлоридом аммония , простым одностадийным синтезом:

AgNCO + NH4Cl → (NH2 ) 2CO + AgCl

Камфора была редким и дорогим натуральным продуктом, пользовавшимся спросом во всем мире. [ когда? ] Халлер и Бланк синтезировали ее из камфорной кислоты; [2] однако, предшественник, камфорная кислота, имела неизвестную структуру. Когда финский химик Густав Комппа синтезировал камфорную кислоту из диэтилоксалата и 3,3-диметилпентановой кислоты в 1904 году, структура предшественников позволила современным химикам вывести сложную кольцевую структуру камфоры. Вскоре после этого [ когда? ] Уильям Перкин опубликовал еще один синтез камфоры. [ актуально? ] Работа по полному химическому синтезу камфоры позволила Комппе начать промышленное производство этого соединения в Тайнионкоски , Финляндия , в 1907 году.

Американский химик Роберт Бернс Вудворд был выдающейся фигурой в разработке полного синтеза сложных органических молекул, среди которых были холестерин , кортизон , стрихнин , лизергиновая кислота , резерпин , хлорофилл , колхицин , витамин B12 и простагландин F-2a . [2]

Винсент дю Виньо был удостоен Нобелевской премии по химии 1955 года за полный синтез природного полипептида окситоцина и вазопрессина , о котором сообщалось в 1954 году с пометкой «за его работу над биохимически важными соединениями серы, особенно за первый синтез полипептидного гормона». [27]

Еще одним талантливым химиком является Элиас Джеймс Кори , который в 1990 году получил Нобелевскую премию по химии за выдающиеся достижения в области полного синтеза и за разработку ретросинтетического анализа .

Список примечательных полных синтезов

  • Полный синтез хинина [28] [2] Впервые синтезированный Робертом Бернсом Вудвордом и Уильямом фон Эггерсом Дерингом в 1944 году, это достижение имело важное значение ввиду важности хинина как противомалярийного препарата.
  • Полный синтез стрихнина Впервые синтезированный Робертом Бернсом Вудвордом в 1954 году, этот синтез стал знаковым достижением благодаря структурной сложности молекулы.
  • Морфин : впервые синтезирован Маршаллом Д. Гейтсом в 1952 году, впоследствии более эффективные синтезы были разработаны другими химиками, включая Тошиаки Фукуяму в 2017 году.
  • Общий синтез холестерина [29] Синтезированный Робертом Бернсом Вудвордом в 1951 году, он стал значительным достижением в синтезе стероидов.
  • Кортизон : еще один известный стероидный синтез Роберта Бернса Вудворда в 1951 году.
  • Лизергиновая кислота : синтезированная Робертом Бернсом Вудвордом в 1954 году, она стала важным предшественником ЛСД.
  • Резерпин : этот синтез, завершенный Робертом Бернсом Вудвордом в 1956 году, отличался сложностью и важностью молекулы как антигипертензивного препарата.
  • Хлорофилл : синтезированный Робертом Бернсом Вудвордом в 1960 году, это достижение имело важное значение, учитывая решающую роль хлорофилла в фотосинтезе.
  • Колхицин : еще один примечательный синтез Роберта Бернса Вудворда, завершенный в 1963 году.
  • Простагландин F-2a: синтезирован Э. Дж. Кори в 1969 году и стал важным достижением в синтезе простагландинов.
  • Полный синтез витамина B12 [ 30] Завершенный Робертом Бернсом Вудвордом и его командой в 1972 году, этот синтез считается одним из самых сложных когда-либо осуществленных, включающим более 100 этапов.
  • Полный синтез паклитаксела (таксола) : синтез этого противоракового препарата, впервые синтезированного Робертом А. Холтоном в 1994 году, а затем К. К. Николау в 1995 году, стал крупным прорывом в медицинской химии.
  • Брефельдин А : Этот сложный макролид, синтезированный С. Рагхаваном в 2017 году, потенциально может использоваться в качестве противоракового средства.
  • Рианодин : синтезированный Сарой Э. Рейсман в 2017 году, этот сложный дитерпеноид обладает важной биологической активностью.

Ссылки

  1. ^ "Определение: Полный синтез". Nature Publishing Group. Архивировано из оригинала 2014-12-20 . Получено 22-08-2015 .
  2. ^ abcde Nicolaou KC , Vourloumis D, Winssinger N, Baran PS (январь 2000 г.). «Искусство и наука полного синтеза на заре двадцать первого века». Angewandte Chemie . 39 (1): 44– 122. doi :10.1002/(SICI)1521-3773(20000103)39:1<44::AID-ANIE44>3.0.CO;2-L. PMID  10649349.
  3. ^ Николау К.К., Соренсен Э.Дж. (2008). Классика в тотальном синтезе. 1: Цели, стратегии, методы v (5-е изд.). Вайнхайм: ВЧ. ISBN 978-3-527-29231-8.
  4. ^ Николау К.К., Соренсен Э.Дж. (2003). Классика в тотальном синтезе. 2: Больше целей, стратегий, методов . Вайнхайм: ВЧ. ISBN 978-3-527-30684-8.
  5. ^ Бак М.Р., Шаак Р.Э. (июнь 2013 г.). «Новые стратегии полного синтеза неорганических наноструктур». Ангеванде Хеми . 52 (24): 6154–6178 . doi :10.1002/anie.201207240. ПМИД  23610005.
  6. ^ Вудворд РБ (1963). «Versuche zur Synthese des витамины B 12 ». Ангеванде Хеми . 75 (18): 871–872 . Бибкод : 1963AngCh..75..871W. дои : 10.1002/ange.19630751827.
  7. ^ Eichberg MJ, Dorta RL, Grotjahn DB, Lamottke K, Schmidt M, Vollhardt KP (2001). «Подходы к синтезу (±)-стрихнина через опосредованное кобальтом [2 + 2 + 2] циклоприсоединение: быстрая сборка классической структуры». J. Am. Chem. Soc. 123 (38): 9324– 9337. doi :10.1021/ja016333t. PMID  11562215.
  8. ^ Стефан Хеллебоид, Кристиан Хауг, Кай Ламоттке, Ицзюнь Чжоу, Цзяньбинг Вэй, Себастьен Дэкс, Линда Камбула, Жеральдин Ригу, Дин В. Хам, Роберт Вальчак (2014), «Идентификация естественного неорускогенина как биодоступного, сильного и высокоаффинного агониста ядерного рецептора RORα (NR1F1)», SLAS Discovery , т. 19, № 3, стр.  399–406 , doi : 10.1177/1087057113497095 , PMID  23896689{{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ ab Михаэль Мюллер, Кай Ламоттке, Эрих Лёв, Ева Магор-Веенстра, Вольфганг Штеглих (2000), "Стереоселективные полные синтезы атрохризона, торосахризона и родственных 3, 4-дигидроантрацен-1 (2 H)-онов", Журнал химического общества, Perkin Transactions 1 , № 15, стр. 2483-2489. https://doi.org/10.1039/B003053H{{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  10. ^ Михаэль Мюллер, Кай Ламоттке, Вольфганг Стеглих, Стефан Буземанн, Маттиас Райхерт, Герхард Брингманн, Питер Шпителлер (2004), «Биосинтез и стереохимия грибковых пигментов типа флегмацина», Европейский журнал органической химии , стр.  4850–4855 , doi :10.1002/ejoc.200400518{{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  11. ^ Armaly AM, DePorre YC, Groso EJ, Riehl PS, Schindler CS (сентябрь 2015 г.). «Открытие новых синтетических методологий и реагентов в процессе синтеза натуральных продуктов в эпоху постпалитоксина». Chemical Reviews . 115 (17): 9232– 76. doi :10.1021/acs.chemrev.5b00034. PMID  26176418.
  12. ^ Fay N, Kouklovsky C, de la Torre A (декабрь 2023 г.). «Синтез натуральных продуктов: бесконечный поиск недостижимого совершенства». ACS Organic & Inorganic Au . 3 (6): 350–363 . doi :10.1021/acsorginorgau.3c00040. PMC 10704578. PMID  38075446 . 
  13. ^ Eichberg MJ, Dorta RL, Grotjahn DB, Lamottke K, Schmidt M, Vollhardt KP (2001). «Подходы к синтезу (±)-стрихнина через опосредованное кобальтом [2 + 2 + 2] циклоприсоединение: быстрая сборка классической структуры». J. Am. Chem. Soc. 123 (38): 9324– 9337. doi :10.1021/ja016333t. PMID  11562215.
  14. ^ Михаэль Мюллер, Кай Ламоттке, Эрих Лёв, Ева Магор-Веенстра, Вольфганг Штеглих (2001), «Стереоселективные полные синтезы атрохризона, торосахризона и родственных 3, 4-дигидроантрацен-1 (2 H)-онов», Журнал химического общества, Perkin Transactions 1 , № 15, стр. 2483-2489. https://doi.org/10.1039/B003053H{{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  15. ^ Гвидо Франсуа, Таня Стенакерс, Лоран Аке Асси, Вольфганг Штеглих, Кай Ламоттке, Йорг Холенц, Герхард Брингманн (1999), «Висмион Н и структурно родственные антраноидные соединения природного и синтетического происхождения как перспективные лекарства против человеческого малярийного паразита Plasmodium falciparum: взаимосвязи структура-активность», Parasitology Research , т. 85, № 7, стр. 582–588 https://doi.org/10.1007/s004360050598, PMID  10382608{{citation}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  16. ^ Springob K (1 июня 2009 г.). Растительные натуральные продукты. Springer. стр.  3–50 . doi :10.1007/978-0-387-85498-4_1. ISBN 978-0-387-85498-4. Получено 24 июня 2021 г. .
  17. ^ du Vigneaud V, Ressler C, Swan JM, Roberts CW, Katsoyannis PG (1954). «Синтез окситоцина». Журнал Американского химического общества . 76 (12): 3115– 3121. Bibcode : 1954JAChS..76.3115D. doi : 10.1021/ja01641a004.
  18. ^ Хиткок К (1996). «Поскольку мы вступаем в 21 век, есть ли еще ценность в полном синтезе натуральных продуктов как исследовательском начинании?». Chemical Synthesis Gnosis to Prognosis . Springer. стр.  223– 243. doi :10.1007/978-94-009-0255-8_9. ISBN 978-94-009-0255-8. Получено 24 июня 2021 г. .
  19. ^ Nicolaou KC (1 апреля 2019 г.). «Попытки полного синтеза и их вклад в науку и общество: личный отчет». CCS Chemistry . 1 (1): 3–37 . doi : 10.31635/ccschem.019.20190006 .
  20. ^ Nicolaou KC, Rigol S (ноябрь 2020 г.). «Перспективы почти пяти десятилетий полного синтеза натуральных продуктов и их аналогов для биологии и медицины». Natural Product Reports . 37 (11): 1404– 1435. doi :10.1039/D0NP00003E. PMC 7578074. PMID  32319494 . 
  21. ^ Qualmann K (15 августа 2019 г.). «Превосходство в промышленном органическом синтезе: празднование прошлого, взгляд в будущее». ACS Axial . Получено 24 июня 2021 г. .
  22. ^ Baran PS (апрель 2018 г.). «Полный синтез натуральных продуктов: как всегда захватывающе и надолго». Журнал Американского химического общества . 140 (14): 4751– 4755. Bibcode : 2018JAChS.140.4751B. doi : 10.1021/jacs.8b02266 . PMID  29635919.
  23. ^ Hudlicky T (декабрь 2018 г.). «Преимущества нетрадиционных методов в общем синтезе натуральных продуктов». ACS Omega . 3 (12): 17326– 17340. doi :10.1021/acsomega.8b02994. PMC 6312638. PMID  30613812 . 
  24. ^ Дерек Л. «Насколько полезен полный синтез». In The Pipeline (AAAS) . Американская ассоциация содействия развитию науки . Получено 24 июня 2021 г.
  25. ^ "Phil Baran Research". Исследовательская лаборатория Фила Барана . Институт Скриппса . Получено 24 июня 2021 г.
  26. ^ Hayashi Y (январь 2021 г.). «Экономия времени при полном синтезе». Журнал органической химии . 86 (1): 1– 23. doi :10.1021/acs.joc.0c01581. PMID  33085885. S2CID  224825988.
  27. ^ "Нобелевская премия по химии 1955 года". Nobelprize.org . Nobel Media AB . Получено 17 ноября 2016 г. .
  28. ^ Halford B (10 апреля 2017 г.). «Вспоминая легенду органической химии Роберта Бернса Вудворда». C&EN . 95 (15).
  29. ^ Mulheirn G (сентябрь 2000 г.). «Робинсон, Вудворд и синтез холестерина». Endeavour . 24 (3): 107– 110. doi :10.1016/S0160-9327(00)01310-7.
  30. ^ Рао РБ (2016). Логика органического синтеза. LibreTexts.
  • Архив органического синтеза
  • Основные моменты тотального синтеза
  • Новости тотального синтеза
  • Полные схемы синтеза с индексами реакций и реагентов
  • Задачи группового собрания по органической химии Архивировано 2012-04-26 в Wayback Machine
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Total_synthesis&oldid=1273283366"