Progettazione e ottimizzazione delle reazioni
La progettazione e l'ottimizzazione delle reazioni chimiche sono fondamentali nella ricerca sulla sintesi organica. Modificando i parametri di reazione (catalizzatore, pH, solvente, temperatura o tempo), si possono ottenere determinati risultati (riduzione dei costi, purezza, selettività o resa). Nell'ottimizzazione delle reazioni chimiche, gli strumenti di sintesi con cui vengono condotti gli esperimenti richiedono flessibilità, precisione e riproducibilità. Nella progettazione di reazioni chimiche, l'attenzione si concentra sulla costruzione di un percorso sintetico verso una molecola target a partire da materiali di partenza disponibili in commercio.
Di solito si adotta un "approccio disconnesso", in cui l'attenzione si concentra sulla costruzione di legami chiave. Il processo viene scomposto in semplici passaggi, lavorando a ritroso dalla molecola target piuttosto che in avanti dal materiale di partenza. Mentre molti chimici ricorrono alla loro vasta conoscenza delle reazioni per realizzare questi percorsi sintetici, esistono oggi molti strumenti software, come SYNTHIA™, che consentono agli utenti di analizzare facilmente percorsi personalizzati per molecole note e nuove in base a criteri di ricerca.
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Nell'ottimizzazione delle reazioni si possono impiegare diverse metodologie sperimentali. In un approccio per tentativi ed errori, o una variabile alla volta, tutti gli input sperimentali vengono mantenuti costanti, tranne uno, per registrare un determinato risultato. Si esegue una serie di reazioni fino a determinare un optimum. Si sceglie quindi un'altra variabile e il processo si ripete fino a quando non sono stati esaminati tutti gli input e non è stata stabilita una serie di input ottimali.
Un approccio multiparametrico, o "disegno di esperimenti", varia i fattori simultaneamente dal loro valore più basso a quello più alto per trovare le condizioni ottimali in modo più efficiente. Le diverse combinazioni vengono eseguite nella stessa serie di esperimenti. Ulteriori esperimenti vengono eseguiti tra fattori bassi e alti per determinare la variabilità intrinseca. I valori possono essere rappresentati in un cubo per illustrare le relazioni tra i fattori e le risposte. Affinché questo processo di ottimizzazione abbia successo, è necessario prestare attenzione alla riproducibilità, eseguendo le reazioni in modo sistematico e controllato.
Dopo aver trovato un percorso sintetico praticabile per sintetizzare la molecola target, vengono impiegate innumerevoli ore aggiuntive per ottimizzare ogni reazione chimica per rendere il prodotto migliore, più veloce o più efficiente. L'utilizzo dell'ottimizzazione della progettazione delle reazioni chimiche può portare più rapidamente a scoperte scientifiche.
Figure 1.Reaction Optimization Table
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