Optimización de reaccións no desenvolvemento de procesos

Un dos nosos clientes solicitou a optimización dunha reacción de redución dun nitroheterociclo nitroxenado. O proceso inicial empregaba Ni Raney como catalizador para dar o produto desexado nun 60% xunto con varias impurezas principais.

Abordamos o problema aplicando os principios de Deseño de Experimentos (DoE) en tres etapas. A primeira etapa consistía en obter máis información sobre a solubilidade do material de partida en diferentes disolventes, estabilidade e impurezas obtidas. O obxectivo principal destes experimentos era encontrar disolventes para a reacción. Descubrimos que o material de partida era incompatible con disolventes nucleófilos e que a solubilidade noutros disolventes comunmente usados en hidroxenacións era un problema.

Na segunda etapa concentramos os nosos esforzos na reacción. Primeiro realizamos un screening de catalizadores, dado que algunhas impurezas se xeraban por deshaloxenación competitiva durante a redución do grupo nitro. Avaliáronse quince catalizadores comerciais de tres provedores industriais distintos baixo condicións estándar. Descubriuse que un dos catalizadores con base de platino permitía una conversión do 98.8% en só 6 h (fronte as 21 h do proceso orixinal) cun perfil de impurezas moi baixo.

De acordo cos principios de DoE, a terceira etapa era a optimización. Deseñamos un factorial de dous niveis con tres variables: carga de catalizador, temperatura e presión. Incluíuse un punto central no deseño e lanzáronse os nove experimentos. Os resultados analizáronse usando o programa Design-Ease.

The most significant factor in the reaction was catalyst loading. Pressure, temperature and a combination of these factors were not significant, but they were included in the analysis to avoid the simplest case of just one significant factor in the model. The program found the model to be consistent.

Observouse que a combinación de presión e carga de catalizador era un factor secundario, cunha influencia moito menor que a carga de catalizador. A influencia da presión era maior cando a carga de catalizador era baixa e irrelevante con cargas altas. A temperatura era o terceiro factor. Con cargas baixas de catalizador, o seu efecto era máis importante a alta presión, aínda que pouco relevante. Aínda que algúns destes datos eran obvios desde o principio, o programa Design-Ease permitiunos predicir que a carga de catalizador podía reducirse se a presión, temperatura e tempo de reacción se incrementaban. Se era necesario reducir o catalizador durante o escalado, estas opcións eran posibles dado que o produto non se descompoñía nas novas condicións de reacción.