Reaktionsplanung & -optimierung
In der organischen Synthese sind das Design und die Optimierung chemischer Reaktionen unerlässlich. 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. Beim Design chemischer Reaktionen liegt der Schwerpunkt auf der Bildung eines Synthesewegs zu einem Zielmolekül unter Verwendung handelsüblicher Ausgangsmaterialien. Dabei wird in der Regel ein „entkoppelter Ansatz“ verfolgt, bei dem das Hauptaugenmerk darauf liegt, Schlüsselbindungen aufzubauen. Der Prozess ist in einfache Schritte unterteilt, wobei vom Zielmolekül ausgehend rückwärts und nicht vom Ausgangsmaterial ausgehend vorwärts vorgegangen wird. Während viele Chemiker bei der Bildung dieser Synthesewege auf ihr fundiertes Reaktionswissen zurückgreifen, sind inzwischen zahlreiche Softwaretools wie SYNTHIA™ erhältlich, mit denen Anwender anhand von Suchkriterien auf einfache Weise benutzerdefinierte Synthesewege für bekannte und neue Moleküle analysieren können.
Für die Reaktionsoptimierung können verschiedene experimentelle Methoden angewandt werden. Bei einem „Trial and Error“-Ansatz (Versuch und Irrtum) werden alle experimentellen Einflussparameter (Inputs) bis auf eine Variable konstant gehalten, um ein bestimmtes Ergebnis festzuhalten. 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 Inputs getestet und ein Satz optimaler Einflussparameter bestimmt wurde.
Beim Multiparameter-Ansatz, auch als statistische Versuchsplanung oder Design of Experiments bezeichnet, werden Inputfaktoren 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. Damit dieser Optimierungsprozess zum Erfolg führt, muss darauf geachtet werden, dass die Reaktionen systematisch und in einem kontrollierten Rahmen durchgeführt werden und somit reproduzierbar sind.
Nachdem ein geeigneter Syntheseweg zur Herstellung des Zielmoleküls gefunden wurde, fließen unzählige weitere Stunden in die Optimierung jeder chemischen Reaktion, um das Produkt besser, schneller oder effizienter zu machen. Durch die Optimierung des Designs chemischer Reaktionen können wissenschaftliche Durchbrüche schneller erzielt werden.
Abbildung 1.Tabelle Reaktionsoptimierung
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