Reaktionsdesign

Reaktionsdesign bezeichnet den systematischen Prozess der Planung, Entwicklung und Optimierung chemischer Reaktionen, um Zielprodukte effizient, sicher und umweltverträglich herzustellen. Es verbindet Erkenntnisse aus Reaktionskinetik, Thermodynamik, Mechanismusforschung, Katalyse und Prozessführung, um Reaktionswege und Bedingungen zu wählen, die hohe Ausbeute, gute Selektivität und günstige Kosten ermöglichen. Typische Entscheidungen betreffen die Wahl der Reaktion, Reaktionsbedingungen (Temperatur, Druck, Lösungsmittel), Katalysatoren, Reaktor- und Trenntechniken sowie Sicherheits- und Umweltaspekte. Reaktionsdesign ist eng verknüpft mit dem Reaktordesign und der Prozessführung und spielt eine zentrale Rolle in der Fein- und pharmazeutischen Chemie sowie in der industriellen Synthese.

Methoden: Theoretische und experimentelle Ansätze arbeiten zusammen. Experimentelles Design von Versuchen (DoE), systematische Optimierung, Kinetik- und Mechanismusstudien liefern Daten. Rechnerische Methoden wie Quantenchemie, Mikrokinetik, Reaktionspfadwahl und maschinelles Lernen unterstützen Vorhersagen über Effekte von Substraten, Katalysatoren und Lösungsmitteln. Green-Chemistry-Konzepte fördern Minimierung von Abfällen, Energieverbrauch und Gefahrstoffe. Die Ergebnisse fließen in die Entwicklung sicherer, skalierbarer Prozesse ein, inklusive Reaktor- und Trennverfahren sowie Qualitätskontrolle.

Anwendungen und Herausforderungen: Reaktionsdesign findet Anwendung in der organischen Synthese, pharmazeutischen Herstellung, Feinchemie, Biokatalyse und Polymerchemie. Herausforderungen liegen in der Übertragbarkeit von Labor- zu Großmaßstab, unvorhergesehenen Nebenprodukten, Kosten und Sicherheitsrisiken. Die Zukunft des Reaktionsdesigns wird von datengetriebenen Ansätzen, integrierter Prozessoptimierung und verstärkter Zusammenarbeit von Chemie, Ingenieurwesen und Umweltwissenschaften geprägt.