화학 합성
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1. 개요
화학 합성은 하나 이상의 화합물로부터 특정 화합물을 의도적으로 생성하는 화학 반응을 실행하는 것이다. 일반적으로 여러 단계의 화학 반응을 거쳐 목적물을 얻으며, 반응 순서를 관리하기 위한 다양한 합성 전략이 사용된다. 화학 합성 기술은 촉매 개발, 의약품 개발, 생물의약품 생산 등 다양한 분야에 응용되며, 녹색 화학을 통해 환경 친화적인 합성 방법을 모색하고 있다.
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| 화학 합성 | |
|---|---|
| 화학 합성 | |
| 정의 | 원하는 생성물을 얻기 위한 일련의 계획된 화학 반응 |
| 관련 분야 | 유기 합성 무기 합성 재료 합성 생화학 합성 |
| 주요 목표 | 새로운 물질, 약물, 기능성 재료 등을 만드는 것 |
| 기본 원리 | |
| 반응 계획 | 출발 물질과 반응 조건을 설정하여 원하는 생성물을 얻기 위한 경로를 설계 |
| 반응 수행 | 반응 조건을 제어하고, 필요에 따라 촉매, 용매 등을 사용하여 반응 진행 |
| 정제 및 분석 | 생성물을 분리 및 정제하고, 분석을 통해 생성물의 순도와 구조를 확인 |
| 주요 반응 유형 | |
| 유기 합성 | 탄소-탄소 결합 형성 반응 작용기 변환 반응 고리화 반응 |
| 무기 합성 | 금속 산화물, 질화물 합성 착물 합성 나노 물질 합성 |
| 역사 | |
| 초기 | 고대부터 비누, 유리, 도자기 등 제조 19세기: 유기 화합물 합성이 화학의 중심 과제 콜베 전기분해 (Kolbe electrolysis): 최초의 유기 합성 반응 중 하나 |
| 현대 | 효율적인 반응 개발 및 촉매 연구 발전 의약품, 신소재, 첨단 재료 합성 분야 응용 확대 |
| 응용 분야 | |
| 의약품 | 새로운 치료제 개발, 기존 약물 개선 |
| 재료 | 신소재, 나노 재료, 고분자 재료 합성 전자 재료, 광학 재료, 에너지 재료 등 |
| 농업 | 살충제, 제초제, 비료 합성 |
| 화장품 | 화장품 원료, 색소 합성 |
| 기타 | 화학 산업의 기본, 연구 분야 |
2. 정의 및 역사
화학 합성(Chemical Synthesis)은 하나 이상의 화합물로부터 특정 화합물을 의도적으로 만들기 위해 화학 반응을 실행하는 것을 말한다.
2. 1. 용어의 기원
화학 합성의 원어 "synthesis"를 처음 사용한 사람은 19세기 독일의 화학자 헬만 콜베(Hermann Kolbe)이다.2. 2. 일반적인 합성 과정
대부분의 경우, 목적물을 얻을 때까지 여러 단계의 화학 반응이 사용되며, 각 단계에는 화학적·물리적 분리·정제·분석이 수반된다. 얻어진 결과는 다른 실험자에 의해 재현성이 있어 검증될 수 있어야 한다.화학 합성은 원료가 되는 화합물과 시약을 선택하는 것부터 시작된다. 목적물을 얻기 위한 화학 반응에는 다양한 것이 이용될 수 있다. 얻어진 생성물의 양을 나타내는 방법에는 두 가지가 있는데, 하나는 질량으로 나타낸 '''수율''', 다른 하나는 원료로부터 얻을 수 있는 이론량에 대한 백분율로 나타낸 '''수율'''이다.
화학 합성이라는 용어는 좁은 의미로 두 가지 이상의 기질을 단일 생성물로 변환하는 반응을 의미한다. 일반식은 다음과 같다.
: A + B → AB
여기서 A와 B는 원소의 단체 또는 화합물이며, AB는 A와 B 각각의 부분 구조를 가진 화합물이다. 구체적인 예는 다음과 같다.
- 2 Na + Cl2 → 2 NaCl (염화나트륨 생성)
- S + O2 → SO2 (이산화 황 생성)
- 4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3 (산화철(III) 생성)
- CO2 + H2O → H2CO3 (물에 용해된 이산화 탄소에 의한 탄산 생성)
3. 합성 전략
화학 합성은 반응물 A를 반응 생성물 B로 직접 전환하는 것보다 더 복잡하고 효율적이며, 정밀한 분자 변환을 달성하기 위해 다양한 전략을 사용한다. 이러한 전략은 반응 순서를 관리하기 위한 접근 방식으로 분류할 수 있다.
화학 합성에는 '''반응 순서''', '''촉매 전략''', '''반응성 제어''', '''고급 계획 및 기술''' 등의 전략이 사용된다.
3. 1. 반응 순서
다단계 합성은 각 단계마다 중간체를 분리하기 위한 후처리(purification)가 필요한 순차적인 화학 반응을 포함한다.[3] 예를 들어, 파라세타몰 합성은 일반적으로 세 가지의 별개 반응을 필요로 한다. 발산적 합성은 공통 중간체로 시작하여 서로 다른 반응 경로를 통해 여러 최종 생성물로 분기된다. 수렴적 합성은 독립적으로 합성된 여러 중간체를 결합하여 복잡한 최종 생성물을 만드는 것을 포함한다. 원팟 합성은 동일한 용기에서 여러 반응을 수행하여 중간체 분리 없이 순차적인 변환을 가능하게 하여 물질 손실, 시간 및 추가 정제의 필요성을 줄인다. 캐스케이드 반응은 원팟 합성의 특정 유형으로, 단일 반응물 내에서 연속적인 변환을 가능하게 하여 자원 소비를 최소화함으로써 프로세스를 더욱 간소화한다.3. 2. 촉매 전략
촉매는 반응을 가속화하고 특정 변환을 가능하게 함으로써 화학 합성에서 중요한 역할을 한다. 광레독스 촉매는 작은 분자의 활성화와 금속 촉매의 산화 상태를 조절함으로써 반응 조건에 대한 향상된 제어를 제공한다. 생촉매는 온화한 조건에서 높은 특이성을 가지고 화학 반응을 가속화하기 위해 효소를 촉매로 사용한다.[3]3. 3. 반응성 제어
화학 선택성은 분자 내 특정 작용기가 반응하고 다른 작용기는 영향을 받지 않도록 한다. 보호기는 선택적 반응을 가능하게 하기 위해 반응성 부위를 일시적으로 차단한다. 동역학적 제어는 종종 안정성이 낮은 화합물을 생성하는, 빠르게 생성물을 형성하는 반응 경로를 우선시한다. 반대로, 열역학적 제어는 가장 안정적인 생성물의 형성을 선호한다.3. 4. 고급 계획 및 기술
레트로합성 분석은 표적 분자를 더 간단한 전구체로 분해하여 복잡한 합성을 계획하는 데 사용되는 전략이다.[4] 흐름 화학은 반응물이 반응기로 펌핑되는 연속 반응 방법으로, 반응 조건과 확장성을 정밀하게 제어할 수 있다. 이러한 접근 방식은 타목시펜과 같은 의약품의 대량 생산에 사용되어 왔다.[4]4. 유기 합성
유기 합성은 유기 화합물의 합성을 다루는 특수한 유형의 화학 합성이다. 복잡한 생성물의 전합성에는 관심 생성물을 합성하기 위해 여러 절차가 순차적으로 필요할 수 있으며, 많은 시간이 소요된다. 순수하게 합성적인 화학 합성은 기본적인 실험실 화합물에서 시작한다. 반합성 과정은 식물이나 동물에서 얻은 천연물을 시작으로 하여 이를 새로운 화합물로 변형한다.
단순한 화합물에서 복잡한 화합물을 만드는 과정에서는 목표로 하는 생성물을 합성할 때까지 여러 단계의 조작과 많은 시간과 노력이 필요하다. 특히, 시판되고 있는 단순한 화합물만으로 생리활성물질 등의 천연물이나 이론적으로 흥미로운 유기화합물을 만드는 다단계의 화학 합성을 '''전합성'''이라고 한다. 전합성은 순수하게 합성화학적인 과정이지만, 식물, 동물, 균류 등에서 추출한 천연물을 원료로 하는 경우에는 '''반합성'''이라고 부른다.
5. 무기 합성
무기 합성과 유기금속 합성은 상당한 무기 성분을 포함하는 화합물을 제조하는 데 사용된다. 대표적인 예로 항암제 시스플라틴을 테트라클로로플라티네이트(II)칼륨으로부터 제조하는 방법이 있다.[5]
6. 녹색 화학
녹색 화학을 이용한 화학 합성은 공정을 단순화하고 환경 친화적인 용매를 찾는 새로운 합성 방법과 장치의 설계를 촉진한다. 핵심 원칙에는 모든 반응물 원자를 최종 생성물에 통합하는 것을 목표로 하는 원자 경제와 화학 공정에서의 폐기물 및 비효율성 감소가 포함된다.[6] 녹색 화학의 혁신은 기존 방법의 환경 및 건강 영향을 줄이는 보다 지속 가능하고 효율적인 화학 합성에 기여한다.[6]
7. 응용 분야
화학 합성은 다양한 산업에서 중요한 역할을 하며, 실생활에 큰 영향을 미치는 재료, 의약품 및 기술 개발을 가능하게 한다.
- '''촉매 개발''': 화학 공정을 통해 합성된 촉매는 석유 정제, 석유화학 제품 생산 및 오염 제어를 포함한 수많은 산업 공정의 효율성과 지속 가능성을 향상시킨다.[8]
- '''의약품 개발''': 유기 합성은 신약 개발에 중요한 역할을 하며, 화학자들이 유기 분자를 변형하여 새로운 약물을 개발하고 최적화할 수 있도록 한다.[8] 금속 착물의 합성은 의료 영상 및 암 치료 등 고급 진단 및 치료 기술을 가능하게 한다.[9]
- '''생물의약품 생산''': 화학 합성은 단클론 항체를 포함한 생물의약품 생산에 중요하다. DNA 재조합 기술 및 세포 융합과 같은 고급 기술은 특정 질병에 맞게 생물학적 제제를 생산하고 효과적으로 작용하며 질병을 정확하게 표적으로 삼을 수 있도록 화학 합성에 의존한다.[10]
7. 1. 촉매 개발
촉매 개발은 석유 정제, 석유화학 제품 생산 및 오염 제어를 포함한 수많은 산업 공정에 매우 중요하다. 화학 공정을 통해 합성된 촉매는 이러한 작업의 효율성과 지속 가능성을 향상시킨다.[8]7. 2. 의약품 개발
유기 합성은 신약 개발에 중요한 역할을 하며, 화학자들이 유기 분자를 변형하여 새로운 약물을 개발하고 최적화할 수 있도록 한다.[8] 의료 영상 및 암 치료를 위한 금속 착물의 합성 또한 화학 합성의 주요 응용 분야이며, 고급 진단 및 치료 기술을 가능하게 한다.[9]7. 3. 생물의약품 생산
화학 합성은 단클론 항체 및 기타 생물학적 제제를 포함한 생물의약품 생산에 중요하다. 화학 합성을 통해 이러한 치료에 사용되는 유기 및 생물학적 공급 화합물을 생성하고 변형할 수 있다. DNA 재조합 기술 및 세포 융합과 같은 고급 기술은 화학 합성에 의존하여 특정 질병에 맞게 생물학적 제제를 생산하고 효과적으로 작용하며 질병을 정확하게 표적으로 삼을 수 있도록 한다.[10]8. 같이 보기
참조
[1]
서적
Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry
Prentice Hall
[2]
논문
Beiträge zur Kenntniss der gepaarten Verbindungen
https://zenodo.org/r[...]
[3]
서적
Advanced Organic Chemistry Part B: Reactions and Synthesis
Springer
[4]
웹사이트
Flow chemistry
https://www.vapourte[...]
2024-12-01
[5]
논문
The Discovery and Development of Cisplatin
2006-05-01
[6]
논문
Green chemistry for chemical synthesis
https://doi.org/10.1[...]
2008-09-09
[7]
간행물
3.18 - Acetic and Propionic Acids
https://linkinghub.e[...]
Academic Press
2024-12-01
[8]
웹사이트
APPLICATIONS OF ORGANIC CHEMISTRY IN ENGINEERING AND BIOTECHNOLOGY: AN OVERVIEW
https://leadandmento[...]
[9]
웹사이트
Inorganic Synthesis
https://learn.socrat[...]
[10]
웹사이트
Think : Thermal : Part Two : Uses and Benefits to the biopharmaceutical industry
https://www.thermalp[...]
2020-02-10
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