Exotherme chemische Reaktionen bergen einige Risiken – insbesondere beim Scale-Up. Zu diesen Risiken gehören Sicherheitsgefährdungen, wie Überdrücke, Auslaufen des Inhalts oder Explosionen sowie ein durch starke Temperaturanstiege verursachter Abfall der Produktausbeute und -reinheit. Die Herstellung von Grignard-Reagenzien aus organischen Halogeniden und Magnesium ist ein typisches Beispiel für synthetische Schritte mit solchen Risiken. Die fehlerhafte Kontrolle von Grignard-Reaktionen führt zu Sicherheitsgefährdungen in Verbindung mit der Ansammlung organischer Halogenide, die zu schweren Unfällen und sogar Kettenreaktionen führen können, falls sie nicht erkannt werden.
Scale-Up von exothermer Chemie
Sichere Entwicklung von Grignard-Reaktionen
Grignard-Reagenzien sind zuverlässige chemische Bausteine, die häufig zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kupplungen verwendet werden. In einer typischen Grignard-Reaktion wird der Reaktor mit Mg und THF befüllt, weniger als 10 % des organischen Halogenids (R-X) hinzugefügt, die Temperatur auf Rückflussbedingungen erhöht und nach Beginn der Reaktionsinitiierung (erkennbar anhand des Anstiegs der exothermen Temperatur) das übrige R-X zugeführt. Bei Reaktionen in größerem Maßstab ist der Anstieg der exothermen Temperatur unter Rückflussbedingungen jedoch schwierig zu erkennen. Aus diesem Grund kann die ReactIR -In-Situ--Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich zur Überwachung der Konzentration der organischen Halogenide und der Bildung des Grignard-Reagenzes eingesetzt werden.
Verfolgung der Reaktionsinitiierung zur Vermeidung übermäßiger Ansammlung
Die Abbildung rechts zeigt, wie durch In-Situ-Spektroskopie mit ReactIR während des Reaktionsfortschritts die wichtigsten Reaktionskomponenten verfolgt werden können. Der Zeitpunkt der Reaktionsinitiierung und die darauffolgende Bildung des Grignard-Reagenzes werden während der Reaktion kontinuierlich gemessen. Diese In-Situ -Messung liefert Prozesskenntnisse für das Scale-Up, wenn eine Offline-Probennahme nicht durchführbar ist.
Kontrolle der Wärmeabführung mit Prozessanalysetechnologie
Die relative R-MgBr-Konzentrationstendenz zeigt zwei anfängliche Additionen des Arylhalogenids an. Die Initiierung erfolgt erst nach zwei Stunden. Die Abbildung rechts stellt außerdem die Empfindlichkeit von ReactIR für den Reaktionsfortschritt während der übrigen Addition des Arylhalogenids und während der Bildung des Grignard-Reagenzes dar. Anhand dieser Informationen besteht die Sicherheit, dass die Reaktion korrekt abläuft und dass die Ansammlung von Arylhalogenid noch innerhalb der Grenzwerte ist. In-Situ-ReactIR-Messungen bestimmen den Endpunkt der Reaktion und Komponentenprofile werden zur Entwicklung einer Prozessüberwachungsstrategie für optimale Bedingungen und Kontrolle verwendet.
4 Schritte zur Steuerung und zum Scale-Up von exothermen Grignard-Reaktionen
Aus Studien führender Chemie- und Pharmaunternehmen geht hervor, dass vier (4) wichtige Schritte befolgt werden müssen, damit bei exothermen Grignard-Reaktionen vom Labor bis zur Produktion ein sicheres Scale-Up durchgeführt werden kann. Durch die Anwendung dieser Schritte wurden sicherere Prozesse mit höheren Erträgen entwickelt und skaliert.
PAT in exothermer Chemie
Veröffentlichungen in Fachzeitschriften
Die Infrarot-Spektroskopie wird häufig zur besseren Sicherheit und Kontrolle von exothermen chemischen Reaktionen eingesetzt. Führende Forscher in der akademischen und industriellen Forschung nutzen die In-Situ-Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich routinemäßig zur Gewinnung aussagekräftiger und datenreicher Experimentinformationen, die die Forschung vorantreiben.
In-Situ-Reaktionsüberwachung
Die abgeschwächte Totalreflexion (Attenuated Total Reflectance, ATR) im mittleren Infrarotbereich bietet gegenüber alternativen Analysemethoden (einschließlich anderer molekularer Spektroskopietechniken) zahlreiche Vorteile. Forscher und Wissenschaftler verbessern die chemische Entwicklung heutzutage durch die Nutzung dieser Vorteile, darunter:
- Widerstandsfähig gegen Blasen und Feststoffe, daher ideal geeignet für Hydrierungen und heterogene Reaktionen
- Eintauchbar für direkte Einführung in den Reaktionsbehälter für In-Situ-Reaktionsmessungen in Echtzeit
- Keine extraktive Probennahme erforderlich, daher Möglichkeit zur Messung der Chemie in ihrer natürlichen Umgebung
- Zerstörungsfrei, Schutz der Integrität der chemischen Reaktion
Vom ReactIR werden sofortige Informationen über eine Reaktion gewonnen, da es sich um eine In-Situ-Technik handelt. Dies ist ein nützlicher und wichtiger Vorteil zur Gewinnung weiterer Einblicke in das Reaktionsverhalten, insbesondere wenn transiente Reaktionsspezies beteiligt sind.
Applikationen
Anwendung im Zusammenhang mit der Prozesskontrolle für exotherme Reaktionen
Schlüsselreagenzien für die Synthese komplexer Moleküle
Lithiierungs- und Organolithiumreaktionen spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung komplexer pharmazeutischer Verbindungen; Organolithiumverbindungen fungieren auch als Initiatoren in bestimmten Polymerisationsreaktionen.
Prozessanalysetechnologie (PAT) für die kontinuierliche Messung von NCO
Isocyanate sind wichtige Bausteine für Hochleistungspolymere auf Polyurethanbasis, die für Beschichtungen, Schaumstoffe, Klebstoffe, Elastomere und Isolationsstoffe eingesetzt werden. Die Bedenken hinsichtlich der Belastung durch Isocyanatrückstände haben zu neuen Beschränkungen von Isocyanatrückständen in neuen Produkten geführt. Bei herkömmlichen Analysemethoden zur Messung der Konzentration von Isocyanatrückständen (NCO) mittels Offline-Probennahme und -Analyse bestehen Nachteile. Durch die In-Situ-Überwachung mittels Prozessanalysetechnologie können diese Herausforderungen bewältigt werden. Somit können Hersteller und Formulierer sicherstellen, dass das Produkt Qualitätsanforderungen, Anforderungen an die Sicherheit des Personals und Umweltvorschriften erfüllt.
Methoden und Techniken für die Entwicklung synthetischer Polymere
Die Messung von Polymerisationsreaktionen ist entscheidend für die Herstellung von Stoffen, die die gestellten Anforderungen erfüllen, z. B. bezüglich Reaktionsverständnis, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sowie Sicherheit.
Automatisierte Prozessentwicklungsstrategien für Chemiker
Die Ermittlung von Verunreinigungsprofilen dient der Identifizierung und nachfolgenden Quantifizierung spezifischer Komponenten, die in geringen Mengen – normalerweise unter 1 % und idealerweise unter 0,1 % – vorhanden sind.
Verständnis und Kontrolle der Entwicklung von Grignard-Reaktionen und Scale-Up mit Prozessanalysetechnologie
Exotherme chemische Reaktionen bergen einige Risiken – insbesondere beim Scale-Up. Zu den Risiken gehören Sicherheitsgefährdungen, wie Überdrücke, Inhaltsentladungen oder Explosionen sowie ein durch starke Temperaturanstiege verursachter Abfall der Produktausbeute und -reinheit. Beispielsweise führt die fehlerhafte Kontrolle von Grignard-Reaktionen zu Sicherheitsgefährdungen in Verbindung mit der Ansammlung organischer Halogenide, die zu schweren Unfällen und sogar Kettenreaktionen führen können, falls sie nicht erkannt werden.
Sichere Beobachtung von Hydrierungsreaktionen bei erhöhten Temperaturen und Drücken
Zur Untersuchung von Hydrierungsreaktionen müssen fundierte Entscheidungen zur Optimierung des Prozesses im Labor und zur Sicherstellung der Wiederholbarkeit beim Skalieren getroffen werden. Kontinuierliche Reaktionsmessungen in Echtzeit werden zur Gewinnung tiefgehender und fundamentaler Prozesserkenntnisse verwendet. Dadurch können schnellere Entscheidungen zu folgenden Zwecken getroffen werden: Reduzierung der Experimentanzahl und des Zeitaufwands zur Skalierung, Erhöhung der Selektivität/des Ertrags aus beinah umgehendem Feedback über die Reaktionsrichtung, Reduzierung der Zykluszeit und Verbesserung des Ertrags durch Bestimmung des idealen Endpunkts, indem die Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt unterbrochen wird und dadurch das Risiko der Bildung eines Nebenprodukts vermieden wird.
Scale-Up und Optimierung hochreaktiver Chemikalien
Hochreaktive Chemie bezieht sich auf chemische Reaktionen, an denen hochreaktive chemische Spezies beteiligt sind, wie z.B. freie Radikale, hochgeladene Ionen und hochinstabile Moleküle.
Verstehen und charakterisieren Sie Hochdruckreaktionen unter anspruchsvollen Probenahmebedingungen
Viele Prozesse erfordern Reaktionen, die unter hohem Druck ablaufen. Die Arbeit unter Druck ist eine Herausforderung und die Entnahme von Proben für die Offline-Analyse ist schwierig und zeitaufwendig. Eine Druckänderung kann sich auf die Reaktionsgeschwindigkeit, die Umwandlung und den Mechanismus sowie auf andere Prozessparameter auswirken. Auch die Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff und Wasser sowie damit verbundene Sicherheitsfragen sind häufige Probleme.
Schlüsselsynthesen in der pharmazeutischen und Polymerchemie
Halogenierung liegt vor, wenn ein oder mehrere Fluor-, Chlor-, Brom- oder Jodatome ein oder mehrere Wasserstoffatome in einer organischen Verbindung ersetzen. Je nach spezifischem Halogen, der Beschaffenheit des Substratmoleküls und den allgemeinen Reaktionsbedingungen können Halogenierungsreaktionen sehr energiereich sein und unterschiedlichen Pfaden folgen. Aus diesem Grund ist das Verständnis dieser Reaktionen aus kinetischer und thermodynamischer Sicht entscheidend für die Gewährleistung von Ausbeute, Qualität und Sicherheit des Prozesses.
Beschleunigung chemischer Reaktionen durch Katalyse mit einem Katalysator
Katalysatoren stellen einen alternativen Weg zur Verbesserung der Geschwindigkeit und des Ergebnisses einer Reaktion dar. Aus diesem Grund sind fundierte Kenntnisse der Reaktionskinetik äusserst wichtig. Diese liefern nicht nur Informationen über die Reaktionsgeschwindigkeit, sondern bieten auch Einblick in den Reaktionsmechanismus. Es gibt zwei Arten von katalytischen Reaktionen: homogene und heterogene. Zu heterogenen Reaktionen kommt es, wenn der Katalysator und der Reaktant in zwei verschiedenen Phasen vorliegen. Homogen bedeutet, dass der Katalysator und der Reaktant in derselben Phase vorliegen.
Herstellung wichtiger Moleküle für die Forschung, die Industrie und den Handel
Eine Synthesereaktion ist ein chemischer Prozess bei dem sich einfache Elemente oder Verbindungen zu einem komplexeren Artikel verbinden. Sie wird durch die Gleichung A + B → AB dargestellt.
Ein statistischer Ansatz zur Reaktionsoptimierung
Die statistische Versuchsplanung oder auch Design of Experiments (DoE) setzt voraus, dass Experimente für die Optimierung chemischer Prozesse unter sorgsam kontrollierten, präzisen und wiederholbaren Bedingungen durchgeführt werden. Chemische Synthesereaktoren sind für die statistische Versuchsplanung und die Gewährleistung einer hohen Datenqualität ausgelegt.
Grundlegendes Verständnis über chemische Reaktionen und deren mögliche Einflussfaktoren
Reaktionsmechanismen beschreiben die aufeinanderfolgenden Schritte auf molekularer Ebene, die in einer chemischen Reaktion stattfinden. Reaktionsmechanismen sind nicht beweisbar, sondern vielmehr auf Grundlage empirischer Experimente und Folgerungen postulierbar. In-Situ-FTIR-Spektroskopie bietet Informationen zur Stützung von Hypothesen über Reaktionsmechanismen.
Metallorganische Verbindungen verstehen und kontrollieren
Metallorganische Synthese, oder metallorganische Chemie, beschreibt den Prozess der Erzeugung metallorganischer Verbindungen und zählt zu den meist erforschten Bereichen der Chemie. Metallorganische Verbindungen werden häufig für die Synthese von Feinchemikalien und zur Katalyse von Reaktionen verwendet. In-situ-Infrarot- und Raman-Spektroskopie zählen zu den wirksamsten Analysemethoden für die Untersuchung metallorganischer Verbindungen und Synthesen.
Für eine bessere Ausbeute, höhere Reinheit und mehr Kostenkontrolle
Die Oligonukleotidsynthese ist ein chemischer Prozess, in dem Nukleotide gezielt so miteinander verknüpft werden, dass ein Produkt mit der gewünschten Nukleotidsequenz entsteht.
Alkylierungen für wichtige Reaktionen in der organischen Chemie
Als Alkylierung bezeichnet man den Prozess, in dem eine Alkylgruppe zu einem Substratmolekül hinzugefügt wird. Die Alkylierung ist in der organischen Chemie ein häufig angewandtes Verfahren.
Wichtige funktionelle Gruppen für die Synthese von Polymeren und Arzneimitteln
Auf dieser Seite wird erklärt, was Epoxide sind, wie sie synthetisiert werden und welche Technologien existieren, um den Reaktionsverlauf einschliesslich Kinetik und Schlüsselmechanismen zu verfolgen.
Key C-C Bond-Forming Reactions in Molecular Synthesis
Bei der Suzuki-Reaktion und verwandten Kreuzkupplungsreaktionen werden Übergangsmetallkatalysatoren, wie z.B. Palladiumkomplexe, verwendet, um C-C-Bindungen zwischen Alkyl- und Arylhalogeniden mit verschiedenen organischen Verbindungen zu bilden.
Funktionalisierung von Kohlenstoffbindungen
Die Aktivierung von C-H-Bindungen ist eine Reihe mechanistischer Prozesse, durch die stabile Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in organischen Verbindungen gespalten werden.
Für die metallfreie asymmetrische Synthese von chiralen Molekülen
Unter Organokatalyse versteht man die Verwendung von spezifischen organischen Molekülen, die chemische Reaktionen durch katalytische Aktivierung beschleunigen können.
Die entscheidenden Mechanismen verstehen und katalytische Prozesse verbessern
Hydroformylierung, oder Oxosynthese, katalytische Prozesse zur Synthese von Aldehyden aus Alkenen. Die entstandenen Aldehyde bilden die Rohstoffe für viele weitere nützliche organische Verbindungen.
In-Situ-Chemie zur Unterstützung von Klick-Reaktionen
Click-Reaktionen beziehen sich auf chemische Reaktionen, die die Kriterien der Click-Chemie erfüllen. Click-Reaktionen sind in der Regel schnell, ertragreich und laufen unter milden Bedingungen ab, was sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen macht.
Flusstechnologie für chemische und biologische Synthesen
Ein kontinuierlicher Rührkesselreaktor(CSTR) ist ein Gefäss, in das Reagenzien und Reaktanten hineinfliessen, während das Reaktionsprodukt hinausfliesst.
Isocyanate sind wichtige Bausteine für Hochleistungspolymere auf Polyurethanbasis, die für Beschichtungen, Schaumstoffe, Klebstoffe, Elastomere und Isolationsstoffe eingesetzt werden. Die Bedenken hinsichtlich der Belastung durch Isocyanatrückstände haben zu neuen Beschränkungen von Isocyanatrückständen in neuen Produkten geführt. Bei herkömmlichen Analysemethoden zur Messung der Konzentration von Isocyanatrückständen (NCO) mittels Offline-Probennahme und -Analyse bestehen Nachteile. Durch die In-Situ-Überwachung mittels Prozessanalysetechnologie können diese Herausforderungen bewältigt werden. Somit können Hersteller und Formulierer sicherstellen, dass das Produkt Qualitätsanforderungen, Anforderungen an die Sicherheit des Personals und Umweltvorschriften erfüllt.
Exotherme chemische Reaktionen bergen einige Risiken – insbesondere beim Scale-Up. Zu den Risiken gehören Sicherheitsgefährdungen, wie Überdrücke, Inhaltsentladungen oder Explosionen sowie ein durch starke Temperaturanstiege verursachter Abfall der Produktausbeute und -reinheit. Beispielsweise führt die fehlerhafte Kontrolle von Grignard-Reaktionen zu Sicherheitsgefährdungen in Verbindung mit der Ansammlung organischer Halogenide, die zu schweren Unfällen und sogar Kettenreaktionen führen können, falls sie nicht erkannt werden.
Zur Untersuchung von Hydrierungsreaktionen müssen fundierte Entscheidungen zur Optimierung des Prozesses im Labor und zur Sicherstellung der Wiederholbarkeit beim Skalieren getroffen werden. Kontinuierliche Reaktionsmessungen in Echtzeit werden zur Gewinnung tiefgehender und fundamentaler Prozesserkenntnisse verwendet. Dadurch können schnellere Entscheidungen zu folgenden Zwecken getroffen werden: Reduzierung der Experimentanzahl und des Zeitaufwands zur Skalierung, Erhöhung der Selektivität/des Ertrags aus beinah umgehendem Feedback über die Reaktionsrichtung, Reduzierung der Zykluszeit und Verbesserung des Ertrags durch Bestimmung des idealen Endpunkts, indem die Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt unterbrochen wird und dadurch das Risiko der Bildung eines Nebenprodukts vermieden wird.
Viele Prozesse erfordern Reaktionen, die unter hohem Druck ablaufen. Die Arbeit unter Druck ist eine Herausforderung und die Entnahme von Proben für die Offline-Analyse ist schwierig und zeitaufwendig. Eine Druckänderung kann sich auf die Reaktionsgeschwindigkeit, die Umwandlung und den Mechanismus sowie auf andere Prozessparameter auswirken. Auch die Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff und Wasser sowie damit verbundene Sicherheitsfragen sind häufige Probleme.
Halogenierung liegt vor, wenn ein oder mehrere Fluor-, Chlor-, Brom- oder Jodatome ein oder mehrere Wasserstoffatome in einer organischen Verbindung ersetzen. Je nach spezifischem Halogen, der Beschaffenheit des Substratmoleküls und den allgemeinen Reaktionsbedingungen können Halogenierungsreaktionen sehr energiereich sein und unterschiedlichen Pfaden folgen. Aus diesem Grund ist das Verständnis dieser Reaktionen aus kinetischer und thermodynamischer Sicht entscheidend für die Gewährleistung von Ausbeute, Qualität und Sicherheit des Prozesses.
Katalysatoren stellen einen alternativen Weg zur Verbesserung der Geschwindigkeit und des Ergebnisses einer Reaktion dar. Aus diesem Grund sind fundierte Kenntnisse der Reaktionskinetik äusserst wichtig. Diese liefern nicht nur Informationen über die Reaktionsgeschwindigkeit, sondern bieten auch Einblick in den Reaktionsmechanismus. Es gibt zwei Arten von katalytischen Reaktionen: homogene und heterogene. Zu heterogenen Reaktionen kommt es, wenn der Katalysator und der Reaktant in zwei verschiedenen Phasen vorliegen. Homogen bedeutet, dass der Katalysator und der Reaktant in derselben Phase vorliegen.
Die statistische Versuchsplanung oder auch Design of Experiments (DoE) setzt voraus, dass Experimente für die Optimierung chemischer Prozesse unter sorgsam kontrollierten, präzisen und wiederholbaren Bedingungen durchgeführt werden. Chemische Synthesereaktoren sind für die statistische Versuchsplanung und die Gewährleistung einer hohen Datenqualität ausgelegt.
Reaktionsmechanismen beschreiben die aufeinanderfolgenden Schritte auf molekularer Ebene, die in einer chemischen Reaktion stattfinden. Reaktionsmechanismen sind nicht beweisbar, sondern vielmehr auf Grundlage empirischer Experimente und Folgerungen postulierbar. In-Situ-FTIR-Spektroskopie bietet Informationen zur Stützung von Hypothesen über Reaktionsmechanismen.
Metallorganische Synthese, oder metallorganische Chemie, beschreibt den Prozess der Erzeugung metallorganischer Verbindungen und zählt zu den meist erforschten Bereichen der Chemie. Metallorganische Verbindungen werden häufig für die Synthese von Feinchemikalien und zur Katalyse von Reaktionen verwendet. In-situ-Infrarot- und Raman-Spektroskopie zählen zu den wirksamsten Analysemethoden für die Untersuchung metallorganischer Verbindungen und Synthesen.
Publikationen
Publikationen im Zusammenhang mit der Prozesskontrolle für exotherme Reaktionen
White Paper und Anleitungen
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