Mikroreaktor til syntese med Grignard-reagenser

I 1912, Victor Grignard blev tildelt Nobelprisen i kemi for sin opdagelse af det, der blev kendt som Grignard-reagenser. Siden da, disse forbindelser er kommet til at spille en nøglerolle i den kemiske og farmaceutiske industri. Nu, i en udvikling af Fraunhofer-forskere, en ny type mikroreaktor vil ikke kun gøre reaktioner med disse reagenser hurtigere og sikrere, men også give et renere produkt. Hvad mere er, den nye mikroreaktor er skalerbar og kan betjenes fleksibelt.

Mange af nutidens lægemidler, duft- og smagsstoffer fremstilles ved hjælp af reaktioner med Grignard-reagenser. Opdaget for mere end 100 år siden, disse forbindelser udgør et af de mest effektive midler til at skabe kemiske bindinger mellem kulstofatomer. Blandt de 50 bedste aktive farmaceutiske ingredienser, en ud af ti har en syntesevej, der omfatter en eller flere Grignard-reaktioner. Der er en ulempe, dog:afhængigt af typen af ​​reaktion, det kan tage noget tid for reaktionen at komme ordentligt i gang – og, når det gør det, reaktionen genererer meget hurtigt meget varme, som så skal bortskaffes. For at begrænse produktionen af ​​varme, reagenset tilsættes kun til reaktoren med kontinuerlig omrøring i beholderen i begrænsede portioner. Det her, imidlertid, forlænger reaktionstiden, hvor der kan dannes en masse biprodukter. Bør, for eksempel, det ønskede produkt reagerer med udgangsmaterialet, dette kan resultere i forurening, og derved sænke produktkvalitet og/eller udbytte.

Kontinuerlig proceskontrol:hurtigere, sikrere, renere

Forskere fra Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems IMM i Mainz er nu lykkedes med at eliminere disse problemer. "Vi har erstattet den store kontinuerlige omrørte tankreaktor med en flowreaktor, " forklarer Dr. Gabriele Menges-Flanagan, forskningsstipendiat ved Fraunhofer IMM. "Det betyder, at vi kan bruge den fulde kraft af reaktionen og stadig kontrollere temperaturen vidunderligt." Denne metode har en række fordele. Mens der i reaktoren med kontinuerlig omrørt tank, reaktionen tager lang tid; i flowreaktoren, hele reagenset omdannes i løbet af få minutter. Desuden, produktets renhed er højere, og producerede mængder kan tilpasses efter behov. Med andre ord, processen er ikke kun hurtigere og sikrere, men det giver også et renere produkt.

Disse fordele skyldes reaktordesignet. Inde i flowreaktoren, reaktanten - normalt et organisk bromid eller klorid - pumpes op gennem et leje af magnesiumspåner. En overflod af magnesiumspåner i reaktoren sikrer, at reaktionen kommer ordentligt i gang og derefter skrider frem på en kontrolleret måde. Afgørende her, også, er reaktorens geometri, som har en dobbelthudet cylinder, afkøles på indersiden og ydersiden af ​​huden af ​​en kontinuerlig strøm af olie. Dette sikrer, at varmen fra reaktionen spredes hurtigt og effektivt, derved øger sikkerheden ikke kun, men hæmmer også produktionen af ​​uønskede biprodukter. Det faktum, at både reaktant og produkt strømmer gennem reaktoren med korte opholdstider, hæmmer også sidereaktioner. Det er der to grunde til:På den ene side reaktanten omdannes hurtigt til produkt; på den anden, dette produkt strømmer kontinuerligt gennem reaktoren - i stedet for, som tidligere, svømmer sammen med reaktanten i en kontinuerlig omrørt tankreaktor. Med andre ord, der er langt færre muligheder for sidereaktioner mellem de to. Overfloden af ​​magnesium i flowreaktoren hjælper også med at forhindre bivirkninger. Dette skyldes, at reaktanten er mere tilbøjelig til at reagere med magnesiumspåner end med produktet, som hurtigt fjernes.

Et skalerbart og fleksibelt pilotanlæg

Forskere har allerede bygget et pilotanlæg, som kan omdanne op til 20 liter reaktantopløsning i timen. Dette kan køres enten i korte perioder eller kontinuerligt, afhængigt af mængden af ​​det nødvendige produkt. Skulle der være behov for større mængder produkt, en anden mulighed er at køre et antal reaktormoduler sammen. Det nuværende pilotanlæg består af fire sådanne moduler og markerer en vigtig etape på vejen mod at øge gennemstrømningen og, ultimativt, opnåelse af produktion i industriel skala. Forskere fra Fraunhofer er allerede gået sammen med partnere fra industrien for at udføre indledende forundersøgelser. "Feedback fra industrien har informeret hele udviklingsprocessen, fra laboratorieskala til pilotanlæg, Menges-Flanagan bekræfter. Hun siger også, at et pilotprojekt med kunder fra industrien på deres site er gennemførligt om omkring et års tid.

Ud over at være egnet til dannelse af enhver tænkelig type Grignard-reagens, planten skal også vise sig egnet, På lang sigt, til syntese af organometalliske forbindelser af zink. Ja, forskere har allerede udført sådanne reaktioner på laboratorieskalaen. Ved at bruge den nye reaktor, det skulle være muligt for første gang nogensinde at gøre disse reaktioner fleksibelt skalerbare.