実験計画法（DoE）は反応とプロセス最適化への統計的アプローチで、さまざまな因子を変えながら同時に最適な値の反応条件をスクリーニングする目的があります。
化成品開発では、実験計画法（DoE）は反応の最適化を速めるための標準メソッドとなっています。その理由には、DoEにより多数の反応パラメータを少数の実験で評価できることがあります。過去数年間にわたり、DoEは研究開発や製造におけるQuality by Design（QbD）の実現に使用されてきました。製薬業界のQbDでは、製造された製品の品質を保証するために、製品とプロセスを理解することが重要になります。
化成品開発では、実験計画法（DoE）の展開の利点は、温度、基質、濃度など複数の入力パラメータ（「因子」）を同時に評価することで、収率、選択性、不純物レベルなど製品の属性（「応答」）が最適値に達する条件を解明できることにあります。
通常、DoEによる研究では実験の繰り返しが削減できるので、DoEにより次が可能になります。
実験計画法（DoE）による実験では、関心対象の因子はその最低値から最高値まで体系的に変化し、因子の可能な組み合わせのすべてが同じ一連の実験で実施されます。
2つのレベルをともなう3因子DoEでは（右のグラフを参照）、値を立方体で表すことができ、各コーナーは8つのテスト条件を示します。完全実施要因計画の場合、2の3乗 = 8つのテスト条件の計算から、8つの異なる結果が得られます。
右側の例は完全実施要因計画DoEの図式例を示しており、8つの異なるテスト結果と潜在的な1つの最適値（例：赤でハイライトされているデータ）が導かれています。
DoE実験から得られるデータを使用して、因子と評価された結果との関係を最も適切に表す数学関数を構築します。これらの式は、結果が因子の変化にどのように反応するかに応じて、1次、2次、またはより高次の方程式にもなります。
γ=結果（例：収率）、xn=入力因子、βn=関数係数をともなう数理モデル。
結果（y）は1つまたは2つの入力変数（x）に対してプロットされ、2または3次元でいわゆる応答曲面を構築できます。
合成反応を最適化する目的は関数の最大値（最適値）を見つけることにあり、これにより、最も適切な結果が得られます。応答曲面法（RSM）は、DoEによって生成されたデータを活用し、3つの因子（温度、出発原料、触媒添加）に対する結果の依存性（収率）を視覚的に表します（グラフ例を参照）。RSMは、反応最適条件の周囲の曲率をより正確にモデル化するために有効です。プロセス研究者は、プロセスをより深く理解し、プロセス条件が収率向上やコスト最適化などの1つまたは複数の目標を満たす領域を特定できます。
RSMによって、少数の実験から大量の情報を生成できるようになり、反応とプロセスの最適化を短時間で実現できます。
DoEの実験計画で重要な要件は、システムの信頼性と再現性を確立することです。これを達成するには、測定エラーのリスクを最小限に抑え、すべてのパラメータを正確に制御して再現性のある実験状況を確保します。有機合成では、実験条件が、温度、攪拌、サンプリング、試薬添加などのパラメータの測定や制御が正確に行われること、そして実験間の再現性が高いことを保証するものになる必要があります。
さらに、選択した実験計画法（DoE）因子が、実験結果に最も強く影響するパラメータとなる必要があります。最小値から最大値までのパラメータ範囲は、現実的な範囲であり、可能な限り広い範囲をカバーする必要があります。これは、設計空間の外側での評価がDoEでは許可されないためです。
この図では、EasyMaxパーソナル有機合成装置は設定温度に正確に従っている一方、制御が難しい丸底フラスコには最小と最大の間で約27Kの制御の変動が見られます。
自動有機合成装置により適切な結果が得られ、より正確な実験計画法での実験につながります。
質の高いDoE実験を実施する上で、丸底フラスコなどの手作業による実験器具には潜在的な制約があります。
画像はCaron、Stéphane、Nicholas M. Thomsonの承諾を得て掲載されています。 "Pharmaceutical process chemistry: Evolution of a contemporary data-rich laboratory environment." The Journal of Organic Chemistry 80.6 (2015): 2943-2958. Copyright 2015 American Chemical Society."
ペプチドは、多くの段階を経て合成される複雑な分子で、多くの副反応をともなう場合があります。そのようなプロセスを低コストで実施するには、すべての段階を最適化し各段階で98%以上の収率を得る必要があります。
DoE実験の目的は、4つのプロセスパラメータ（温度、試薬添加量、水、およびペプチド濃度）の変動によって製品収率を最適化することでした。
この実験では、DoE因子（加熱、冷却、試薬添加など）の再現可能な変化や制御、さらに実験条件（例：リアクタ内容物の一定の攪拌による）の制御の重要性が示されています。
DoEで反応パラメータのセットをいくつか測定、制御し、高い信頼性と繰返し性をともなう結果を得るには、自動合成装置に決定的な利点があります。
複数の因子をともなうDoE実験を手作業で行うには、長い反応時間の間に全パラメータを同時にモニタリングする必要があるので、多大な実験の労力が必要になります。有機合成装置は全パラメータを正確に、しかも同時に制御するために役立ちます。質の高いDoE用の実験結果を得てそれらを記録しておき、必要となるデータ処理でそれらを容易に得る事ができます。また、iControlソフトウェアによって計画される反応レシピにより、DoEプロトコルに準じて個別の因子を適時調整し、以降の実験でもレシピを容易に再利用できるようになります。
EasyMax有機合成装置の利用により、DoE実験に適した幅広いアプリケーションで無人の実験を行い、新たな合成経路を素早く発見するために役立ちます。
EasyMax有機合成装置は、複数のプロセスパラメータを同時に素早く調べることができる、DoE実験のための完璧なツールです。装置には独自の機能と各種アプリケーションが含まれています。
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