Химический синтез

Химический синтез описывает физико-химическое превращение, которое происходит, когда две или более простые молекулы соединяются контролируемым образом для получения более сложного химического продукта. Часто химический синтез намного сложнее, чем А+В = С, и могут образовываться смеси, содержащие продукты и побочные продукты.

Химический синтез используется при разработке всех коммерчески важных продуктов в фармацевтической, полимерной, тонкой и сыпучей химической промышленности. Успех химического синтеза, который определяется как получение целевой молекулы с правильной экономией и качеством, связан с эффективным использованием реагентов и реагентов за счет тщательного понимания и контроля переменных реакции.

Современный химический синтез отвечает за все производимые органические и неорганические продукты, которые разрабатываются на благо цивилизации. Современный химический синтез требует, чтобы процессы были хорошо изучены, хорошо контролировались и давали результаты, отвечающие целям в области экономики, качества и безопасности, при этом сводя к минимуму воздействие на окружающую среду.

В современном химическом синтезе используется сложное аппаратное и программное обеспечение для обеспечения достижения фундаментальных целей качества, безопасности и выхода продукции. Эти инструменты простираются от химических разработок, где понимание кинетики реакций, термодинамики и влияния переменных реакции полностью характеризуется, до производства, где контроль качества и стабильность процесса являются ключом к экономическому успеху.

Лаборатория химического синтеза претерпела значительные изменения за последние годы. Классические аналоговые инструменты химического синтеза, такие как колбы с круглым дном, нагревательные мантии, охлаждающие ванны, перемешивающие устройства, быстро заменяются точными технологиями синтеза с цифровым управлением, такими как автоматизированные лабораторные реакторы, которые обеспечивают гораздо более воспроизводимое управление реакцией.

Меняется и то, как проводится химия. На смену классическим химическим периодическим реакциям приходят реакции непрерывного действия, которые обеспечивают лучший выход, более высокое качество и более безопасные реакции. В поддержку этих новых подходов к проведению химического синтеза изменилось и аналитическое оборудование в лаборатории химического синтеза. Автономные, ручные, мокрые химические методы и методы хроматографии быстро уступают место онлайн-анализу или встроенному анализу в режиме реального времени. Это направление перехода от одноточечных автономных измерений к анализу с большим количеством данных в режиме реального времени поддерживает одну из основных тенденций современного химического синтеза – Quality by Design (QbD). 

Современный химический синтез как в лаборатории, так и на производстве требует передовых технологий, отвечающих новым требованиям качества, безопасности и производительности. Реактор химического синтезаEasyMax, часто оснащенный калориметрическими функциями, используется в фармацевтических и химических лабораториях для оптимизации переменных реакции, для более быстрого масштабирования, для измерения термодинамики реакций и для обеспечения безопасности процесса. Автоматизированный лабораторный реактор представляет собой превосходную технологию для поддержки приложений проектирования экспериментов (DoE) и других методов, которые математически связывают экспериментальные параметры и производительность.

Когда размер, форма и распределение частиц имеют решающее значение, в сочетании с EasyMax часто используются анализаторы размера частиц EasyViewer и ParticleTrack. Когда требуется тестирование в автономном режиме,  EasySampler автоматически удаляет образец реакции в заранее выбранное время и гасит/разбавляет его в условиях реакции для анализа ВЭЖХ или других анализов.  EasySampler работает без присмотра 24/7 и не прерывает реакцию и не влияет на условия реакции.  Для анализа in situ в режиме реального времени ReactIR и рамановский спектрометр   Эти спектроскопические технологии обеспечивают критически важный поток аналитических данных как в периодическом, так и в непрерывном потоке. 

• Качество реагентов, реагентов и катализаторов – Качество исходных материалов и стабильных источников/поставщиков этих материалов является ключом к успешным, воспроизводимым реакциям и процессам синтеза.
  
  
• Условия реакции – Поскольку реакции химического синтеза чувствительны к таким параметрам, как температура реакции, давление, скорость перемешивания и скорость дозирования, точный и аккуратный контроль этих переменных имеет решающее значение для успешного результата. EasyMax обеспечивает автоматическое управление параметрами, точностью и прецизионностью переменных реакции.
  
  
• Реакционное оборудование – В фармацевтической промышленности большинство химических синтезов выполняется в периодическом режиме, но непрерывные процессы становятся все более частыми. В нефтехимической промышленности в течение многих лет используются процессы непрерывного действия. Анализ in-situ ReactIR поддерживает как пакетный, так и непрерывный синтез потока. Физическая конфигурация реакторов EasyMax является улучшением по сравнению с классической колбой с круглым дном из-за соображений площади поверхности и эффективности перемешивания
  
  
• Кинетика реакции – Глубокое понимание скорости реакции имеет решающее значение для обеспечения оптимального выхода продукта и минимального количества побочных продуктов. Благодаря экспериментам с большим объемом данных, анализы in situ с помощью ReactIR и ReactRaman упрощают и ускоряют измерение кинетических факторов в реакциях синтеза, а также обеспечивают поддержку предлагаемых механизмов реакций.  Если анализ в автономном режиме предпочтительнее, EasySampler автоматически удаляет образец из реакционной смеси в заранее выбранное время и гасит/разбавляет его для ВЭЖХ или других анализов. EasySampler удаляет пробу без прерывания синтеза и нарушения условий реакции. 
  
  
• Изоляция/чистота продукта – Несмотря на то, что передовые методы сепарации являются основой для изоляции и чистоты продукта, важно глубокое понимание влияния переменных реакции на снижение присутствия примесей, которые может быть трудно отделить для продукта. Оптимизируя реакционные переменные, ReactIR с EasyMax помогает уменьшить количество примесей. Не менее важно и то, что глубокое понимание и контроль кристаллизации с помощью технологий ParticleTrack и EasyViewer имеют решающее значение для обеспечения чистоты и простоты выделения желаемых продуктов.
  
  
• Безопасность – Коммерчески важный химический синтез требует протоколов «от лаборатории до завода», которые обеспечивают как оптимизированный выход, приемлемые профили примесей, так и безопасную эксплуатацию. ReactIR ускоряет масштабирование реакций, выясняя влияние переменных реакции на общую производительность химического синтеза. Калориметрия обеспечивает безопасность реакций от просеивания до масштабирования до процесса путем измерения теплоты реакции. ReactIR сводит к минимуму воздействие токсичных химических веществ и потенциально опасных реакций на ученых и техников, исключая отбор лабораторных проб для анализа в автономном режиме. Когда требуется автономный анализ, EasySampler обеспечивает автоматический отбор проб на месте и разбавление проб на ВЭЖХ, исключая воздействие на рабочих.

• Химические реакторы - для точного автоматизированного контроля параметров реакции
  
  
• Спектрометры ReactIR и ReactRaman – отслеживание и профилирование ключевых веществ реакции в режиме реального времени в зависимости от времени реакции для кинетических и механистических исследований
  
  
• EasySampler – автоматизированный отбор проб реакций, когда требуется анализ в автономном режиме
  
  
• Анализаторы размера частиц – мониторинг и измерение кристаллов, частиц и процессов кристаллизации in situ

По отдельности или в качестве интегрированной химической рабочей станции обеспечивает критически важную поддержку для улучшения реакций синтеза.

Рабочие станции для разработки технологических процессов и масштабирования предоставляют термодинамические данные в режиме реального времени, позволяют исследовать влияние изменяющихся условий на тепло- и массообмен, а также поддерживают исследования, связанные с концентрациями, температурой или кинетикой. Реакционные калориметры позволяют исследователям измерять тепло, выделяемое в результате реакции, и управлять реакцией на основе теплоотдачи. Контроль соответствующих параметров, включая добавки, может быть автоматизирован и предварительно запрограммирован, поэтому эксперименты можно безопасно проводить с записью всех параметров реакции 24 часа в сутки. Отдельные этапы процесса реакции полимеризации вместе с экспериментальными данными непрерывно записываются и надежно сохраняются, что делает их доступными для оценки и интерпретации. Благодаря безопасным, высокоточным и точным измерениям и контролю количество необходимых экспериментов сокращается, что делает масштабирование эффективным.

EasySampler предоставляет репрезентативные образцы на протяжении всей реакции. Точные, воспроизводимые и репрезентативные образцы обеспечивают высококачественные результаты ВЭЖХ. Это позволяет легко изучать кинетику реакций и разрабатывать профили примесей, в том числе из гетерогенных смесей, реакций, чувствительных к воздуху и влаге, а также реакций под давлением и в условиях токсичных веществ. В определенные пользователем моменты времени EasySampler автоматически захватывает образцы реакции, охлаждает образцы сразу и в условиях реакции и, наконец, разбавляет образец до заданной пользователем концентрации. 

Инфракрасный спектрометр для мониторинга химических реакций в режиме реального времени непосредственно в реакционном сосуде или проточном реакторе. Получите подробную информацию о кинетике, механизме и путях реакции.

• Разработка профилей трендов в режиме реального времени для ключевых компонентов реакции: реагентов, промежуточных продуктов, продуктов, побочных продуктов
  
  
• Получение обширной информации для традиционного кинетического анализа или кинетического анализа хода реакции (RPKA)
  
  
• Мониторинг реакций, в которых извлечение образца для автономного анализа затруднено, невозможно или нежелательно – низкая температура, повышенная температура/давление, вязкие, токсичные реагенты, высокоэнергетические реакции, чувствительные к воздуху/влаге, переходные промежуточные продукты
  
  
• Исследуйте ключевые этапы реакции или процесса, такие как начало реакции, период индукции, накопление, конверсия, конечная точка. Обнаружите реакцию, задержку или расстройство.

С помощью DirectInject-LC™ ВЭЖХ теперь можно использовать для понимания реакций, процессов и кристаллизации практически в режиме реального времени. Полностью автоматизированный быстрый отбор проб и впрыск ВЭЖХ превращает новую мощную технологию анализа процессов (PAT) для мониторинга реакций в режиме реального времени.

• Непрерывный сбор репрезентативных проб партиями или потоком, что позволяет анализировать сложные, многофазные и сложные химические процессы в режиме реального времени.

• Возможность отбора проб реакции, подготовки и немедленного впрыска в ВЭЖХ без помощи рук исключает старение образца и позволяет получать данные в режиме реального времени.

• Анализируйте данные с помощью ведущего в мире пакета программного обеспечения iC, специально разработанного для анализа и моделирования реакций, чтобы ускорить разработку процессов и изделий.

Никлас О. Тиль, Беньяпа Кевми, Трунг Тран Нгок, Йоханнес Ф. Тейхерт, "Простой никелевый катализатор обеспечивает широкое селективное полугидрирование алкинов," Chem. Euro J.

Авторы используют никелевый катализатор [NiI₂] и 1,1'бис(дифенилфосфин)ферроцен (dppf)] для выполнения E-селективных алкиновых полугидрогенаций на ряде субстратов с различными паттернами арильного и алкильного замещения. Они показывают, что этот коммерчески доступный никелевый катализатор позволяет проводить Е-селективное алкиновое полугидрирование широкого спектра замещенных алкинов.

 Измерения ReactIR, проведенные при давлении 30 бар_H2 , предоставили кинетические данные и поддержку предложенного механизма. Первоначально Z-селективное полугидрирование алкина происходит по мере нагрева реакционного сосуда. Образование Е-стильбена наблюдается при достижении температуры 80С через 90 минут, а через несколько часов Е-стильбен является основным продуктом. Данные ReactIR позволяют предположить, что существуют два различных механизма. Первый механизм приводит к Z-селективному полугидрированию алкинов; второй — это механизм изомеризации Z в E, связанный с промежуточными продуктами гидрида никеля. 

Вэнь Тянь, Ронгронг Ху и Бен Чжун Тан, «Однокомпонентные тандемные реакции и полимеризации для ступенчато-экономического синтеза производных пиримидина с контролируемой структурой и поли(пиримидина)», Макромолекулы 2018, 51, 9749−9757.

Исследователи сообщают о разработке однокомпонентных тандемных реакций полимеризации (MCTP), которые позволяют синтезировать сопряженные поли(пиримидины) с определенными свойствами. Они показывают, что полимеризацию проводят с использованием дийна, гуанидина HCl, ДМСО и O₂ в присутствии CuCl, Cs₂CO₃ и N,N,N',N'-тетраметилэтилендиамина.

ИК-Фурье эксперименты in situ предоставили данные для определения кинетики реакции и параметров оптимизации времени реакции MCPT. ReactIR отслеживает ключевые вещества в MCTP P1 (под воздухом) и P2 (под азотом) в зависимости от времени. В первом полоса на 1662 см-1 увеличивается за счет образования карбонильной группы; В последней полосе на 1662 см-2 уменьшается, так как карбонильная функциональность отсутствует.

Каллакури Супарна Рао, Фредерик Сен-Жан и Арчана Кумар, «Количественное определение энолизации кетонов и образования стереоизомера винилсульфоната с использованием встроенной ИК-спектроскопии и моделирования», Org. Process Res. Dev. 2019, 23, 945−951.

Авторы сообщают об использовании ReactIR для изучения образования важного промежуточного продукта винилсульфоната в АФИ, который содержит ациклический тетразамещенный полностью углеродный олефин. С помощью одномерного и многомерного моделирования данные in situ ReactIR позволили в режиме реального времени отслеживать потребление и количественное преобразование кетона, образование менолатов металлов, а также количественное определение минорного стереоизомера в смеси продуктов тетразамещенных стереоизомеров винилсульфоната. Модели были проверены с использованием ИК-данных, полученных в различных экспериментальных условиях

Для оптимизации количественных результатов зонд ReactIR был использован в сочетании с автоматизированным лабораторным реактором EasyMax, чтобы обеспечить точный контроль таких параметров, как температура, скорость перемешивания и время реакции.