Die Rolle des LAMBDA DOSER in einer automatisierten Reaktoranordnung zur kontinuierlichen Flusssynthese von Cyclopentenon-Bausteinen

Die kontinuierliche Flusssynthese hat sich als immer beliebterer Ansatz in der chemischen Synthese etabliert, da sie Effizienz, Skalierbarkeit und Kontrolle über die Reaktionsbedingungen bietet. Die Durchführung der Synthese in einem automatisierten Setup stellt jedoch eine Herausforderung dar. In einer gemeinsamen Studie von Novartis Pharma AG, Schweiz, und der Universität Durham, Großbritannien, wurde dieses Problem bei der Flusssynthese eines vielseitigen Cyclopentenon-Bausteins gelöst, indem der LAMBDA DOSER für die kontrollierte Dosierung von Feststoffen eingesetzt wurde.

Abb. 1: Referenz: Sustainable Flow Synthesis of a Versatile Cyclopentenone Building Block, Marcus Baumann, Ian R. Baxendale, Paolo Filipponi, and Te Hu,Organic Process Research & Development 2017 21 (12), 2052-2059, DOI: 10.1021/acs.oprd.7b00328

Die Handhabung von Festreagenzien in Flusssystemen stellt eine erhebliche Herausforderung dar, da das Festmaterial präzise und kontrolliert in den Reaktor eingeführt werden muss. Bei der Entwicklung eines kontinuierlichen Prozesses zur Synthese von funktionellen Cyclopentenonen wollte das Team D-glucono-1,5-lacton in ein Cyclopentenon-Derivat umwandeln. Die schlechte Löslichkeit des Ausgangsmaterials in Essigsäureanhydrid (Ac2O) erschwerte jedoch eine reibungslose und gleichmäßige Integration in das Flusssystem.

LAMBDA DOSER: Erleichterung der Handhabung von Festreaktanten

Um das Problem der Feststoffdosierung zu lösen, setzte das Team den LAMBDA POWDER DOSER ein, ein Pulverdosiersystem, das die kontinuierliche und kontrollierte Einführung von D-glucono-1,5-lacton in den Reaktor ermöglichte. Dies gewährleistete eine gleichmäßige Materialzufuhr, was für die Aufrechterhaltung stabiler Reaktionsbedingungen von entscheidender Bedeutung war. Die Einstellungen des DOSER ermöglichten eine präzise Kontrolle über die Menge des in den Reaktor eingeführten Feststoffs, was eine exakte Stöchiometrie sicherstellte und Störungen im Prozess minimierte.

Durch die Erstellung einer Kalibrierkurve, die speziell auf das dosierte Material abgestimmt war, konnte das Team die Einstellungen des DOSER mit den erforderlichen Mengen des Festreaktanten abstimmen. Dies ermöglichte einen kontinuierlichen Betrieb ohne manuelle Eingriffe oder Anpassungen, was in Flusssystemen, die lange, ununterbrochene Läufe erfordern, besonders vorteilhaft ist.

Abb. 2: Kalibrierkurve, die das Materialgewicht zeigt, das über einen Zeitraum von 10 Minuten bei unterschiedlichen Dosierungsraten geliefert wurde. (Grafikquelle: DOI: 10.1021/acs.oprd.7b00328; Org. Process Res. Dev. 2017, 21, 2052−2059)

Integration des Pulverdosierers in den Flussprozess

Der LAMBDA DOSER wurde mit einem kontinuierlich gerührten Tankreaktor (CSTR) integriert, in dem der Feststoff D-glucono-1,5-lacton mit Essigsäureanhydrid und einem Katalysator gemischt wurde. Diese Reaktion führte zur Bildung eines Zwischenprodukts, peracetyliertes Gluconolacton, das im weiteren Verlauf zur Herstellung von Cyclopentenon verarbeitet wurde.

Abb. 3: Darstellung der Integration des LAMBDA DOSER in die beiden kontinuierlich gerührten Tankreaktoren (CSTRs) (Bildquelle: DOI: 10.1021/acs.oprd.7b00328; Org. Process Res. Dev. 2017, 21, 2052−2059)

Die Integration des DOSER in das Flusssystem half, eine wesentliche Einschränkung zu überwinden: die schlechte Löslichkeit des Feststoff-Reagenzes. Durch die kontrollierte Dosierung des Reaktanten konnte das Team die Reaktion erfolgreich skalieren und kontinuierlich betreiben, wodurch eine Durchsatzleistung von 200 Gramm pro Stunde des Zwischenprodukts peracetyliertes Gluconolacton erzielt wurde. Ein hoher Ertrag des Zwischenprodukts mit präziser Kontrolle ist entscheidend, um die Effizienz und Skalierbarkeit des gesamten Flusssyntheseprozesses zu gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht dieses Zwischenprodukt einen kontinuierlichen Prozess, wodurch die Notwendigkeit für komplexe Reinigungsschritte vor dem nächsten Schritt minimiert wird.

Nach der Herstellung des peracetylierten Gluconolactons wurde es durch basenkatalysierte Eliminierung in Pyranon (Verbindung 7) umgewandelt, gefolgt von einer basenvermittelten Umstrukturierung mit Natriumhydroxid in Methanol zur Bildung des gewünschten Cyclopentenons. Das Endprodukt wurde mit einem Inline-Wasserextraktionsverfahren gereinigt, welches Verunreinigungen und überschüssige Reagenzien entfernte.

Abb. 4: Überblick über den Syntheseprozess von Cyclopentenon und das Setup (Bildquelle: DOI: 10.1021/acs.oprd.7b00328; Org. Process Res. Dev. 2017, 21, 2052−2059)

Fazit

Die Integration des LAMBDA DOSER in dieses kontinuierliche Flusssystem verdeutlicht die Bedeutung einer zuverlässigen Feststoffdosierung in der Flusstechnik. In dieser Anwendung ermöglichte es den Forschern, die Herausforderungen im Umgang mit Feststoff-Reagenzien zu überwinden und einen stabilen, skalierbaren und effizienten Syntheseprozess zu gewährleisten. Während die Feststoffdosierung in der Flusstechnik eine komplexe Aufgabe darstellen kann, bieten Werkzeuge wie der DOSER Pulverdosierer eine praktische Lösung für die automatische und kontrollierte Zugabe von Pulver in diese Prozesse.

Die Verwendung des LAMBDA DOSER trug in mehreren Bereichen zum Erfolg des kontinuierlichen Flusssystems bei:

• Skalierbarkeit: Der DOSER ermöglichte die kontinuierliche Zuführung von Feststoffen, was beim Hochskalieren von Flusssystemen mit schwer löslichen Materialien entscheidend ist.
• Verbesserte Prozesskontrolle: Die präzise Kontrolle der Feststoffzufuhr sorgte dafür, dass die Reaktion reibungslos verlief, mit minimalem Risiko von Abweichungen in der Stöchiometrie oder der Reaktionsgeschwindigkeit.
• Kontinuierlicher Betrieb: Durch die ununterbrochene Feststoffdosierung trug der DOSER dazu bei, einen konstanten Fluss im Prozess aufrechtzuerhalten und die Notwendigkeit für manuelle Eingriffe zu vermeiden.

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