화학합성

이 방법으로 일상생활에 중요한 많은 물질들을 얻는다.

합성은 모든 화합물에 적용되지만 대부분은 유기 분자의 합성이다. 천연에서 산출되는 화합물은 그 구조를 더욱 잘 이해하기 위해 합성된다. 또한 화학자들은 연구하기 위해 천연에 존재하지 않는 화합물들을 합성하기도 한다. 공업에서는 대량으로 제품을 만드는 데 합성이 이용된다. 화합물은 서로 다른 원소의 원자들이 화학결합에 의해 연결되어 이루어진다(화학결합). 화학합성은 보통 이미 존재하는 결합을 끊고 새로운 결합을 형성하는 것이다.

복잡한 분자를 합성하기 위해서는 이용할 수 있는 출발물질에서 원하는 최종 생성물에 이르는 여러 개의 반응을 필요로 한다. 각 단계는 보통 분자 내에서 하나의 화학결합과 관련 있는 화학반응이다.

화학합성의 경로를 계획하기 위해 화학자들은 보통 최종 생성물을 염두에 두고 그보다 간단한 화합물 쪽으로 거꾸로 거슬러올라가는 작업을 한다. 많은 화합물의 경우 서로 다른 합성경로로 만들 수 있다. 실제 사용되는 경로는 경비, 출발물질의 이용 가능성, 반응이 만족할 만한 속도로 진행하는 데 필요한 에너지의 양, 최종 생성물을 분리·정제하는 데 드는 비용 등 여러 요인에 의해 결정된다.

화학합성을 하기 위해 계획을 세우는 목적 가운데 하나는 분자의 다른 부분은 변화시키지 않으면서 한 부분에만 영향을 주는 반응을 찾는 것이다. 또다른 목적은 가능한 한 빠른 시간 내에 원하는 생성물을 높은 수득률로 얻는 것이다. 종종 합성도중 반응들이 서로 경쟁하여 원하는 생성물의 수득률을 감소시키기도 하며, 경쟁반응에 의해 주생성물로부터 분리하기 어려운 부산물이 생겨날 수도 있다.

일부 공업적 합성에서 부산물이 상업적으로 유용하다면 이들의 생성이 환영받을 수도 있다. 예를 들어 디에틸에테르는 에틸렌으로부터 대규모로 에탄올(에틸알코올)을 합성할 때 생기는 부산물이다. 알코올과 에테르는 둘 다 가치가 있으며 쉽게 분리할 수 있다. 항상 그런 것은 아니지만 화학합성에 관련된 반응은 보통 2개 이상의 서로 다른 물질을 포함하는 반응이다. 어떤 분자는 가열만 해도 다른 물질로 바뀌며, 또 어떤 것들은 자외선 등의 복사선이나 전류를 가해주면 반응한다. 하지만 둘 이상의 서로 다른 물질이 상호작용할 때는 이들이 서로 매우 가까이에 놓이게 할 필요가 있다.

이는 액체나 기체 상태에서 원소나 화합물을 반응하게 함으로써 가능하다. 반응물이 비휘발성의 고체인 경우는 보통 용액을 만들어 반응시킨다.

화학반응속도는 일반적으로 온도가 증가함에 따라 증가하므로 합성하기 위해 종종 온도를 높이기도 한다. 예를 들어 암모니아와 산소로부터 질산을 공업적으로 합성할 때는 약 900℃에서 반응시킨다. 흔히 가열해도 반응속도가 불충분하게 증가하거나, 하나 이상의 반응물이 불안정하게 되어 이를 실제로 사용할 수 없는 경우에는 반응을 빠르게 하거나 느리게 하는 촉매가 사용된다.

대부분의 산업공정에서는 촉매를 사용한다. 어떤 물질은 매우 빠르고 격렬하게 반응하기 때문에 반응 조건을 주의 깊게 조절해야만 원하는 생성물을 얻을 수 있다. 에틸렌 기체로 흔한 플라스틱 가운데 하나인 폴리에틸렌을 합성할 때 많은 열이 방출된다. 이 방출되는 열을 어떤 식으로든(예를 들어 반응용기를 냉각시켜) 조절하지 않으면 에틸렌 분자는 탄소와 수소로 분해되어버린다.

화학합성 결과 생기는 생성물을 분리하기 위해 여러 기술이 개발되었다.

합성한 후에는 종종 상(相) 변화를 수반한다. 예를 들면 출발물질은 특수한 용매에 녹지 않는 반면, 합성반응의 생성물은 녹지 않아 고체로 침전되면 여과함으로써 혼합물로부터 분리해낼 수 있다. 또한 출발물질과 생성물이 모두 휘발성이면 증류하여 분리할 수도 있다. 화학합성은 쉽게 컴퓨터를 이용할 수 있는 과정으로 화학자는 최종 생성물을 제안하고 컴퓨터로 다양한 합성법을 시도하여 가장 효율적인 방법으로 생성물을 합성한다.