Reaktionsdesign und Optimierung
Der Entwurf und die Optimierung chemischer Reaktionen sind in der organischen Syntheseforschung von entscheidender Bedeutung. Durch Änderung der Reaktionsparameter (Katalysator, pH-Wert, Lösungsmittel, Temperatur oder Zeit) können bestimmte Ergebnisse (Kosteneinsparungen, Reinheit, Selektivität oder Ausbeute) erzielt werden. Bei der Optimierung chemischer Reaktionen sind Flexibilität, Präzision und Reproduzierbarkeit der Synthesewerkzeuge, mit denen die Experimente durchgeführt werden, erforderlich. Bei der Entwicklung chemischer Reaktionen liegt der Schwerpunkt auf dem Aufbau eines Syntheseweges zu einem Zielmolekül aus handelsüblichen Ausgangsstoffen.
Typischerweise wird ein "unverbundener Ansatz" verfolgt, bei dem der Schwerpunkt auf dem Aufbau von Schlüsselbindungen liegt. Der Prozess wird in einfache Schritte zerlegt, wobei vom Zielmolekül aus rückwärts und nicht vom Ausgangsmaterial aus vorwärts gearbeitet wird. Während viele Chemiker auf ihr umfangreiches Reaktionswissen zurückgreifen, um diese Synthesewege zu erstellen, gibt es inzwischen zahlreiche Software-Tools wie SYNTHIA™, mit denen die Benutzer benutzerdefinierte Wege für bekannte und neuartige Moleküle anhand von Suchkriterien leicht analysieren können.
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Bei der Reaktionsoptimierung können verschiedene experimentelle Methoden eingesetzt werden. Bei der Methode "Versuch und Irrtum" oder "eine Variable nach der anderen" werden alle experimentellen Eingaben bis auf eine konstant gehalten, um ein bestimmtes Ergebnis zu erhalten. Es wird eine Reihe von Reaktionen durchgeführt, bis ein Optimum ermittelt wird. Dann wird eine andere Variable gewählt, und der Prozess wiederholt sich, bis alle Eingaben untersucht wurden und eine Reihe optimaler Eingaben festgelegt wurde.
Bei einem Multiparameter- oder "Versuchsplan"-Ansatz werden die Faktoren gleichzeitig von ihrem niedrigsten bis zu ihrem höchsten Wert variiert, um die optimalen Bedingungen effizienter zu finden. Die verschiedenen Kombinationen werden in ein und derselben Versuchsreihe durchgeführt. Zusätzliche Experimente werden zwischen niedrigen und hohen Faktoren durchgeführt, um die intrinsische Variabilität zu bestimmen. Die Werte können in einem Würfel dargestellt werden, um die Beziehungen zwischen den Faktoren und den Antworten zu veranschaulichen. Damit dieser Optimierungsprozess erfolgreich ist, muss auf die Reproduzierbarkeit geachtet werden, indem die Reaktionen systematisch und in einem kontrollierten Rahmen durchgeführt werden.
Nachdem ein praktikabler Syntheseweg zur Herstellung des Zielmoleküls gefunden wurde, werden unzählige weitere Stunden in die Optimierung jeder chemischen Reaktion investiert, um das Produkt besser, schneller oder effizienter zu machen. Die Optimierung des chemischen Reaktionsdesigns kann schneller zu wissenschaftlichen Durchbrüchen führen.
Figure 1.Reaction Optimization Table
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