Progettazione efficace degli esperimenti

La scoperta e lo sviluppo rapidi ed efficienti di nuove sostanze chimiche rappresentano una sfida costante. I tecnici che si occupano di chimica organica utilizzano vari metodi per migliorare i percorsi di sintesi, incrementandone l'efficacia e riducendo al minimo il consumo di preziose materie prime.  Gli avanzamenti nei metodi di sintesi e negli strumenti hanno reso possibile questi miglioramenti.

Nei laboratori che si occupano di sintesi chimica organica, tuttavia, sono ancora presenti ostacoli e vincoli che devono essere risolti.  Una reazione chimica viene influenzata da diversi parametri, perciò individuare quelli ottimali in modo rapido ed efficiente è spesso difficile.  Tali parametri comprendono la concentrazione, la velocità di aggiunta, la temperatura, il solvente, il catalizzatore e il pH.  Di frequente, poi, i parametri si influenzano a vicenda. Le reazioni possono essere condizionate dalla tipologia o dalla velocità dell'agitatore, che incide sul trasferimento della massa e influenza ulteriormente il risultato dell'esperimento.

Piuttosto che utilizzare un approccio per tentativi, che richiede l'esame di tutti i singoli parametri e non consente di individuare facilmente le interazioni tra loro, gli scienziati possono applicare la metodologia DoE (Design of Experiments) nei laboratori di sintesi chimica organica. Il libro bianco descrive l'approccio DoE e il modo in cui viene utilizzato per identificare la relazione tra i parametri, definendo le impostazioni ottimali a fronte delle quali la variabile della risposta (comprendente resa, selettività, livello di impurità) raggiunge il valore ideale.

Vengono illustrati due casi di studio:

• I ricercatori dell'Università di Scienze applicate di Zurigo (ZHAW) hanno studiato la polimerizzazione dello stirene per:
  • comprendere le prestazioni e l'accuratezza del controllo della temperatura, che rappresenta un requisito fondamentale per studi DoE attendibili
  • monitorare progressi e ripetibilità
     
• Gli scienziati di Lonza SA hanno analizzato la reazione di sintesi dei peptidi per:
  • identificare l'impatto dei parametri della reazione
  • ottenere una comprensione migliore della causa e dell'effetto della variabilità del processo
  • abbreviare i cicli dello sviluppo delle sostanze chimiche
  • supportare l'approccio Quality by Design (QbD)