Synthèse organique

Synthèse totale

Une synthèse totale est la synthèse chimique complète de molécules organiques complexes à partir de précurseurs simples, disponibles dans le commerce (pétrochimique) ou naturels. Dans une synthèse linéaire - souvent utilisée pour des structures simples - plusieurs étapes sont réalisées l'une après l'autre jusqu'à ce que la molécule soit complète. Les composés chimiques fabriqués à chaque étape sont généralement appelés intermédiaires de synthèse. Pour les molécules plus complexes, une approche différente peut être préférable : la synthèse convergente implique la préparation individuelle de plusieurs "morceaux" (intermédiaires clés), qui sont ensuite combinés pour former le produit final.

Robert Burns Woodward, qui a reçu le prix Nobel de chimie en 1965 pour plusieurs synthèses totales (par exemple, sa synthèse de strychnine en 1954), est considéré comme le père de la synthèse organique moderne. Parmi les exemples récents de synthèse totale, on peut citer la synthèse de Taxol de Wender, Holton, Nicolaou et Danishefsky.

Méthodologie et applications

Chaque étape d'une synthèse implique une réaction chimique, et les réactifs et conditions de chacune de ces réactions doivent être conçus pour donner un bon rendement et un produit pur, avec le moins de travail possible. Il existe peut-être déjà dans la littérature une méthode pour fabriquer l'un des premiers intermédiaires de synthèse, et cette méthode sera généralement utilisée plutôt que de "tenter de réinventer la roue". Cependant, la plupart des intermédiaires sont des composés qui n'ont jamais été fabriqués auparavant. Ils seront normalement fabriqués à l'aide de méthodes générales mises au point par les chercheurs en méthodologie. Pour être utiles, ces méthodes doivent donner des rendements élevés. Elles doivent également être fiables pour une large gamme de substrats. Pour les applications pratiques, les exigences supplémentaires comprennent des normes industrielles de sécurité et de pureté. La recherche en méthodologie comporte généralement trois étapes principales : découverte, optimisation et études de la portée et des limites. La découverte nécessite une connaissance approfondie et une expérience des réactivités chimiques des réactifs appropriés. L'optimisation consiste à tester un ou deux composés de départ dans la réaction dans des conditions très diverses de température, de solvant, de temps de réaction, etc. Les chercheurs essaient différentes conditions jusqu'à ce qu'ils trouvent les meilleures conditions pour le rendement et la pureté du produit. Enfin, les chercheurs essaient d'étendre la méthode de synthèse à un large éventail de matières premières différentes, afin d'en déterminer la portée et les limites. La synthèse totale (voir ci-dessus) est parfois utilisée pour mettre en évidence la nouvelle méthode et démontrer sa valeur dans une application réelle. Les grandes industries axées sur les polymères (et les plastiques) et les produits pharmaceutiques ont utilisé cette recherche.

Synthèse asymétrique

La plupart des produits naturels complexes sont chiraux. Chaque énantiomère peut avoir une bioactivité différente. Les synthèses totales traditionnelles visaient les mélanges racémiques, c'est-à-dire un mélange égal des deux énantiomères possibles. Le mélange racémique pourrait alors être séparé par résolution chirale.

Dans la seconde moitié du XXe siècle, les chimistes ont commencé à développer des méthodes de catalyse asymétrique et de résolution cinétique. Ces réactions pouvaient être orientées de manière à produire un seul énantiomère plutôt qu'un mélange racémique. Les premiers exemples comprennent l'époxydation Sharpless (K. Barry Sharpless) et l'hydrogénation asymétrique (William S. Knowles et Ryōji Noyori). Pour leur réussite, ces travailleurs se sont vu décerner le prix Nobel de chimie en 2001. De telles réactions ont donné aux chimistes un choix beaucoup plus large de molécules énantiomériquement pures pour démarrer une synthèse organique. Auparavant, seules des matières premières énantiomères naturelles pouvaient être utilisées. Grâce aux techniques mises au point par Robert Burns Woodward et à d'autres nouvelles méthodes de synthèse, les chimistes sont devenus plus capables de fabriquer des molécules complexes sans racémisation indésirable. C'est ce qu'on appelle le stéréocontrôle. Cela a permis de synthétiser la molécule cible finale sous la forme d'un énantiomère pur sans qu'aucune résolution ne soit nécessaire. Ces techniques sont appelées "synthèse asymétrique".

Conception de la synthèse

Elias James Corey a apporté une approche plus formelle de la conception de la synthèse, basée sur l'analyse rétro-synthétique, pour laquelle il a remporté le prix Nobel de chimie en 1990. Dans cette approche, la recherche est planifiée à l'envers du produit, en utilisant des règles standard. Les étapes sont indiquées à l'aide de flèches de rétrosynthèse (dessinées comme : =>), ce qui signifie en fait "est fait à partir de". Des programmes informatiques ont été écrits pour concevoir une synthèse basée sur des séquences de "demi-réactions" génériques.