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Neue Dimensionen der mikrowellen-assistierten Methodenentwicklung

von Dr. Alexander Stadler

In Forschungs- und Entwicklungslaboratorien von Universitäten und der pharmazeutischen Industrie erfreut sich die Mikrowellensynthese immer größerer Beliebtheit. Vor allem zur Entwicklung und Optimierung neuer Methoden erweist sich die Verwendung leistungsstarker Mikrowellenreaktoren als äußerst hilfreich und vor allem zeitsparend. In Zusammenarbeit mit akademischen und auch industriellen Partnern gelingt es Geräteherstellern wie der österreichischen Firma Anton Paar GmbH Mikrowellenreaktoren zu entwickeln, die speziell auf die Bedürfnisse der Forscher abgestimmt sind.

Die Grenzen erweitern

Mikrowellengeräte der neuen Generation wie Monowave™?300 (Abb. 1) ermöglichen Anwendungen bis zu 300 °C und, was entscheidender ist, bis zu 30 bar. Mit diesen Spezifikationen erhält man de facto einen mikrowellenbetriebenen Autoklaven mit einfachster Handhabung für Reaktionen im Bereich von 0.5 bis 20 mL.
Ein leistungsstarkes Magnetron gepaart mit ausgefeilter Technik generiert extrem hohe Felddichten, welche außerordentlich hohe Aufheizraten verschiedenster Lösungsmittel ermöglichen. Auch in der klassischen Synthese häufig verwendete, schlecht mikrowellanabsorbierende Lösungsmittel wie Tetrahydrofuran (THF) oder Toluol können in kurzer Zeit bis weit über den Siedepunkt erhitzt werden. Auf diese Weise lassen sich Reaktionen unter neuartigen Bedingungen durchführen wie z.B. die in Schema 1 gezeigte N-Alkylierung von Pyrazol in Toluol bei 250 °C (a) oder die Newman-Kwart-Umlagerung zur Konvertierung von O-Thiocarbamaten in die entsprechenden S-Thiocarbamate bei 300 °C (b):

Die erweiterten Betriebsgrenzen des Monowave 300 erlauben die Durchführung dieser schwierigen Reaktionen in deutlich kürzerer Zeit als in anderen Mikrowellengeräten. Diese und andere Modell-Reaktionen wurden vom Christian Doppler Labor für Mikrowellenchemie an der Karl-Franzens Universität Graz durchgeführt.1-3
In Verbindung mit einem direkt am Gerät platzsparend angebrachten optionalen Autosampler (Abbildung 1 & 2) lassen sich solche Reaktionen auch unbeaufsichtigt durchführen. Das ermöglicht sowohl das Reihen von Experimenten unterschiedlicher Anwender zur automatischen Abarbeitung, als auch die sequentielle Generierung von Produktbibliotheken. Bis zu 24 Reaktionen können so hintereinander effektiv abgearbeitet werden, um z.B: die Nachtstunden produktiv zu nutzen. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Derivate eines vielversprechenden Grundgerüsts erzeugen, wie in Schema 2 für die Biginelli Cyclokondensation zur Herstellung von Dihydropyrimidinen gezeigt. In dieser Multikomponenten-Reaktion werden verschiedene Aldehyde und Beta-Ketoester mit Harnstoff säurekatalysiert umgesetzt, um die gewünschten Heterozyklen in guter Ausbeute zu erhalten. Im sequenziellen Betrieb kann jede einzelne Substratkombination nach Bedarf unterschiedlichen Reaktionsbedingungen ausgesetzt werden, um optimalen Umsatz für jedes gewünschte Produkt zu erreichen werden.

Eine optimierte Methode läßt sich auch für unterschiedliche Volumina in den verfügbaren Gefäßtypen (Abbildung 3) unverändert anwenden. Die Anpassung der Methoden auf größere Mengen ist nicht notwendig, das Gerät selbst reguliert die Mikrowellenleistung entsprechend, je nach Ansatzgröße. Somit können auch problemlos Synthesen im Grammaßstab durchgeführt werden, um Produkte in ausreichender Menge zur Analyse und vollständigen Charakterisierung herzustellen.
Der wichtigste Regelparameter um chemische Reaktionen reproduzieren zu können ist sicherlich die Reaktionstemperatur. Monowave 300 bietet dafür ein duales Temperaturmeßsystem an. Standardmäßig erfolgt die Temperaturkontrolle über einen integrierten IR Sensor. Für exaktere Messung der Reaktionstemperatur steht ein faseroptisches Eintauchthermometer zur Verfügung. Damit lassen sich selbst bei höchsten Aufheizraten und exothermen Prozessen die Reaktionsbedingungen genau kontrollieren. Die Möglichkeit simultan, sowohl an der Gefäßwand wie auch direkt in der Lösung Temperatur zu messen, erlaubt nachhaltigere Aussagen über die Vorgänge im Reaktionsverlauf und hilft so, die reaktionsbeschleunigenden Phänomene der Mikrowellensynthese besser zu verstehen.1,2
Mit all seinen zuverlässigen Eigenschaften und der einfachen Handhabung erweist sich der Mikrowellensynthesereaktor Monowave 300 als wertvolle Ergänzung in modernen Forschungslaboratorien. Auch wenn das Hauptanwendungsgebiet in der universitären und pharmazeutischen Forschung zu sehen ist, ermöglichen die ausgedehnten Betriebsgrenzen des Monowave 300 den Einsatz in zahlreichen anderen Bereichen wie Materialforschung (vor allem Nanomaterialien) oder Polymerchemie.

Referenzen:
1. D. Obermayer, B. Gutmann, C.O. Kappe, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 8321
2. B. Gutmann, D. Obermayer, B. Reichart, B. Prekodravac, J. M. Kremsner, C.O. Kappe, Chem. Eur. J. 2010, 12182
3. B. Gutmann, A. M. Schwan, B. Reichart, C. Gspan, F. Hofer, C.O. Kappe, Angew. Chem. Int. Ed.. 2011, 7636