有機合成

方法論と応用

全合成とは、単純な市販（石油化学）または天然の前駆体から、複雑な有機分子を完全に化学合成することである。線型合成（単純な構造のものによく用いられる）では、分子が完成するまで、いくつかの段階が次々に実行される。各段階で作られる化合物は、通常、合成中間体と呼ばれる。収束合成では、いくつかの「ピース」（重要な中間体）を個別に調製し、それらを組み合わせて目的の生成物を形成する。

ロバート・バーンズ・ウッドワードは、1954年のストリキニーネの合成をはじめとするいくつかの全合成で1965年にノーベル化学賞を受賞しており、近代有機合成の父と呼ばれている。全合成の後世の例としては、Wender、Holton、Nicolaou、DanishefskyによるTaxolの合成がある。

合成の各段階には化学反応が含まれ、これらの反応の試薬と条件は、できるだけ少ない労力で、良い収率と純粋な生成物が得られるように設計する必要があります。初期の合成中間体の1つを作る方法が文献に既に存在する場合もあり、「車輪の再発明を試みる」のではなく、通常はこの方法が使われます。しかし、ほとんどの中間体は、これまで作られたことのない化合物である。これらは通常、方法論の研究者によって開発された一般的な方法を用いて作られる。有用な方法であるためには、これらの方法は高い収率を得る必要がある。また、幅広い基質に対して信頼できるものでなければならない。実用化には、安全性と純度に関する工業規格も追加的に要求される。方法論の研究には、通常、発見、最適化、範囲と限界の研究という3つの主要な段階があります。探索では、適切な試薬の化学反応性についての幅広い知識と経験が必要である。最適化とは、1つまたは2つの出発化合物を、温度、溶媒、反応時間などのさまざまな条件下で反応させる試験を行うことです。研究者は、生成物の収率と純度にとって最適な条件を見つけるまで、さまざまな条件を試してみる。最後に、研究者は合成法を広範な異なる出発物質に拡張し、その範囲と限界を見出そうとする。新しい方法を強調し、実際の用途でその価値を実証するために、全合成（上記参照）が行われることもある。特にポリマー（およびプラスチック）および医薬品に焦点を当てた主要産業がこの研究を利用している。

非対称合成

複雑な天然物の多くはキラルである。各エナンチオマーは異なる生物活性を持つことができる。従来の全合成は、ラセミ混合物、すなわち、両方の可能なエナンチオマーの等しい混合物を対象としていた。ラセミ混合物は、キラル分離によって分離することができる。

20世紀後半になると、化学者たちは不斉触媒反応や速度論的分離の方法を開発するようになった。これらの反応は、ラセミ混合物ではなく、1つのエナンチオマーだけを生成するように仕向けることができる。初期の例としては、Sharplessエポキシ化（K. Barry Sharpless）、不斉水素化（William S. Knowles、野依良治）などがある。この功績により、彼らは2001年にノーベル化学賞を受賞した。このような反応によって、化学者は有機合成の出発点として、より多くのエナンチオマー純度の高い分子を選択することができるようになった。以前は、天然エナンチオマーの出発物質しか使用できなかったのだ。ロバート・バーンズ・ウッドワードが開発した技術やその他の新しい合成法を用いることで、化学者は望まないラセミ化を起こすことなく、複雑な分子を作ることができるようになった。これを立体制御という。これにより、最終的な標的分子を、分離を必要としない純粋な1つのエナンチオマーとして合成することができるようになった。このような技術は、非対称合成と呼ばれている。

合成設計

イライアス・ジェームス・コーリーは、逆合成分析に基づく、より正式な合成設計の手法を持ち込み、1990年にノーベル化学賞を受賞した。このアプローチでは、標準的なルールを用いて、研究から製品に至るまで逆算して計画します。そのステップは、逆合成矢印（=>のように描かれる）で示され、実質的に「から作られる」ことを意味する。一般的な「半反応」のシーケンスに基づいて合成を設計するためのコンピュータプログラムも作成されている。