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Die Anwendung von Methoden der Prozessanalysetechnologie (PAT) gewinnt in allen Bereichen der akademischen und industriellen synthetischen Chemie immer mehr an Bedeutung. Die Echtzeit-Reaktionsanalyse ist ein wesentlicher Bestandteil einer umfassenden PAT-Strategie, die moderne Analytik, Modellierung und Digitalisierung umfasst. Das Hauptziel einer PAT-Strategie besteht darin, Daten zu erfassen und in verwertbare Informationen umzuwandeln, die das Reaktionsverständnis und Prozesswissen beschleunigen, um die Ausbeute, Qualität und Nachhaltigkeit von chemischen Synthesen zu maximieren.
Abhängig von der spezifischen Chemie können spektroskopische Methoden wie FTIR, Raman, UV/Vis, NIR, NMR und MS für die Echtzeitanalyse gewählt werden. Hochmoderne chromatographische Methoden wie UPLC stehen für die Online-Reaktionsanalyse ebenfalls zur Verfügung. Diese Technologien liefern umfangreiche Datenströme, die mit modernen Analyse- und Modellierungswerkzeugen analysiert werden können. Häufig werden mehrere Echtzeit-Analysetechniken in Kombination eingesetzt, um Daten zu liefern, die eine Reaktion oder einen Prozess vollständig charakterisieren.
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In der synthetischen Chemie haben sich eine Reihe aktueller Trends und Themen herausgebildet, bei denen PAT und Reaktionsanalyse eine wichtige Rolle spielen:
- Strategie für Quality by Design (QbD).Als aktiver Trend in der pharmazeutischen und chemischen Produktion erfordert QbD die Entwicklung von Technologien für die Echtzeit-Reaktionsanalyse.
- Datenreiche Experimente (DRE).DRE bieten Prozesseffizienz und Nachhaltigkeit durch die Verwendung von PAT und fortschrittlicher, dynamischer Modellierung, um Informationen zu erhalten, die die Optimierung und das Scale-up von Reaktionen viel schneller und mit weniger Experimenten ermöglichen.
- Kontinuierliche Verarbeitung.Die pharmazeutische Chemie entwickelt sich schnell hin zu kontinuierlichen Strömungsmethoden, für die die Reaktionsanalysetechnologie gut geeignet ist, um unterbrechungsfreie, kontinuierliche Messungen zu ermöglichen.
- Nachhaltige Chemie durch Katalyse. Bei der Entwicklung effizienter und nachhaltiger Synthesen und Prozesse gehören die Organokatalyse, die metallorganische Katalyse und die Biokatalyse zu den aktivsten Entwicklungsbereichen. Die PAT-Reaktionsanalyse hat sich als sehr wertvoll für das Verständnis von Kinetik, Mechanismen, katalytischen Zyklen und dem Einfluss von Reaktionsparametern in der katalysatorbasierten Chemie erwiesen.
- Partikel-Engineering.Die Echtzeitanalyse hat sich als sehr wertvoll für das Verständnis der Komplexität von Kristallisationsprozessen erwiesen, da sie Daten über Partikelgrösse, Grössenverteilung und Morphologie liefert. PAT verfolgt die Auswirkungen von Prozessparametern wie Temperatur, Mischung, Zugabegeschwindigkeit, Konzentration gelöster Stoffe und Impfprotokoll, wodurch die Entwicklung und das Scale-up robuster Kristallisationen sichergestellt werden.
- Biologische Prozesse.Die Analyse der Reaktionszusammensetzung in Echtzeit kann zur Optimierung und aktiven Kontrolle beitragen, indem die Konzentration von Nährstoffen, Metaboliten, Biomasse, Produkten und Nebenprodukten in Abhängigkeit von der Zeit in biologischen Reaktionen gemessen wird.
- Nachhaltige Prozesse.Diese Prozesse optimieren Ausbeute, Reinheit und Atomeffizienz und reduzieren gleichzeitig den Einsatz von Gefahrstoffen und den Energiebedarf. Um dies zu erreichen, sind ein umfassendes Reaktionsverständnis und Prozesswissen erforderlich, was PAT liefert.
- Polymersynthese.In-situ-Analysemethoden verfolgen die Monomerumwandlung zur Bildung von Polymeren, um die Reaktionskinetik zu bestimmen und den Einfluss von Variablen auf wichtige Polymereigenschaften zu kontrollieren. Die Echtzeit-Analyse wird verwendet, um Polymerschmelzen, Extrusionen und Folien kontinuierlich zu überwachen und so die Produktqualität sicherzustellen.
