Reaktionsplanung & -optimierung
Die Planung und Optimierung chemischer Reaktionen ist unerlässlich in der organischen Syntheseforschung. Durch Änderung der Reaktionsparameter (Katalysator, pH-Wert, Lösungsmittel, Temperatur oder Zeit) können bestimmte Ergebnisse (Kosteneinsparungen, Reinheit, Selektivität oder Ausbeute) erzielt werden. Die Optimierung chemischer Reaktionen erfordert Flexibilität, Präzision und Reproduzierbarkeit der Synthesewerkzeuge, die zur Durchführung der Versuche eingesetzt werden. Bei der Planung chemischer Reaktionen liegt der Schwerpunkt auf der Bildung eines Synthesewegs zu einem Zielmolekül unter Anwendung kommerziell erhältlicher Ausgangsmaterialien. Ein „getrennter Ansatz“ wird typischerweise unternommen, wenn der Schwerpunkt auf der Konstruktion von Schlüsselbindungen liegt. Der Prozess wird in zwei einfache Teile aufgeteilt, wobei nicht vom Ausgangsmaterial vorwärts, sondern vom Zielmolekül aus rückwärts gearbeitet wird. Während viele Chemiker bei der Bildung dieser Synthesewege auf ihr fundiertes Reaktionswissen zurückgreifen, sind nun zahlreiche Softwaretools wie SYNTHIA™ erhältlich, die es dem Anwender ermöglichen, benutzerdefinierte Synthesewege auf bekannte und neue Moleküle anhand von Suchkriterien zu analysieren.
Bei der Reaktionsoptimierung können mehrere Versuchsmethoden eingesetzt werden. Bei einem Trial and Error-Ansatz mit jeweils einer Variablen bleiben alle Eingangsparameter außer einem konstant, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen. Es wird eine Reihe von Reaktionen durchgeführt, bis ein optimales Ergebnis erzielt wird. Daraufhin wird eine andere Variable gewählt und der Prozess wird wiederholt, bis alle Eingangsparameter getestet und ein Satz optimaler Eingangsparameter bestimmt wurde.
Beim Multiparameter- oder „statistischen Versuchsplanungs“-Ansatz werden Faktoren simultan von ihrem niedrigsten bis zum höchsten Wert variiert, um optimale Bedingungen effizienter zu finden. Die Verschiedenen Faktorkombinationen werden in derselben Versuchsreihe durchgeführt. Zusätzliche Versuche werden zwischen niedrigen und hohen Faktoren durchgeführt, um die intrinsische Variabilität zu bestimmen. Diese Werte können in einem Würfel dargestellt werden, um die Beziehungen zwischen den Faktoren und den Reaktionen zu illustrieren. Um den Erfolg dieser Optimierung sicherzustellen, muss auf Reproduzierbarkeit geachtet werden, indem die Reaktionen auf systematische Weise und in einem kontrollierten Rahmen durchgeführt werden.
Nachdem ein realisierbarer Syntheseweg zur Synthetisierung des Zielmoleküls gefunden wurde, werden zusätzliche unzählige Stunden für die Optimierung jeder chemischen Reaktion verbracht, um das Produkt besser, schneller und effizienter zu machen. Die Planung und Optimierung chemischer Reaktionen kann schneller zu wissenschaftlichen Durchbrüchen führen.
Abbildung 1.Tabelle Reaktionsoptimierung
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