Das geeignete Katalysator-Design zu finden, gestaltet sich oft sehr mühsam und aufwändig. Eine neue Kombination aus einem gepackten Mikroreaktor und miniaturisierter HPLC mit unmittelbar anschließender massenspektrometrischer Analyse könnte diesen Weg zukünftig jedoch entscheidend vereinfachen.

Für den Synthesechemiker ist die Organokatalyse, also die Katalyse mittels kleiner organischer Moleküle, kaum mehr wegzudenken. Die oftmals einfache Handhabung, die leichte Verfügbarkeit und die geringe Toxizität dieser Katalysatoren machen sie zu wertvollen Mitteln für die Synthese komplexer Strukturen mit hoher Enantiomerenreinheit.

Werden sie an eine stationäre Phase gebunden, lassen sich diese Organokatalysatoren noch effizienter nutzen, da auf eine nachfolgende Abtrennung dieser aus dem Reaktionsgemisch verzichtet werden kann. Ob der Katalysator jedoch nach einer Immobilisierung noch die gewünschte Aktivität aufweist, lässt sich trotz zahlreicher Studien nicht immer voraussagen. Neben der katalytischen Einheit selbst können nun zusätzlich die Verlinkungsstruktur sowie das Trägermaterial Einfluss auf Produktivität und Enantioselektivität nehmen. Somit ist die Suche nach dem für die Reaktion geeigneten Katalysatordesign immer noch eine Vorgehensweise ganz nach dem Prinzip Trial-and-Error. Bedenkt man zusätzlich, dass zum Testen der neu entworfenen katalytischen Materialien oft einige Gramm notwendig sind, ist dies für den synthetischen Chemiker mit einem enormen Aufwand verbunden, da besonders deren Herstellung etliche Arbeitsschritte beinhalten kann.

Einen Ansatz für die Lösung dieses Problems könnte nun eine im Arbeitskreis von Prof. Dr. Belder (Universität Leipzig) neu vorgestellte Lab-on-a-Chip-Technologie liefern, welche die Vorteile des Einsatzes von Mikroreaktoren und miniaturisierter HPLC vereint.

Partikel auf kleinstem Raum

In der modernen Chemie findet die Mikroreaktortechnik zunehmend verbreiteten Einsatz. Diese im kontinuierlichen Fluss betriebenen Mikroreaktoren können aus einer Vielzahl von Materialien bestehen (zum Beispiel Stahl, Glas, Silizium oder Polymer-Verbundmaterialien) und bieten so einige Vorteile gegenüber ihren großen „Verwandten“, wie der klassische Strömungsrohrreaktor oder der Glasrundkolben. Vor allem durch ihr großes Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis besitzen sie hohe Wärmeaustauschkoeffizienten sowie eine genauere Beeinflussbarkeit wichtiger lokaler Reaktionsparameter (wie Massefluss, Temperatur, Misch- und Reaktionszeit) und bieten somit eine sehr gute Kontrolle der Reaktionskinetik. Sie eignen sich ideal zur sicheren Prozessführung und -entwicklung und arbeiten dabei gleichzeitig ressourcenschonend und sicher. Industrielle Anwendung finden Mikroreaktoren dann anschließend meist durch ein Up-Scaling (Maßstabsvergrößerung) oder durch eine Vervielfachung und Parallelschaltung von Katalysatoreinheiten.

Eine der größeren Herausforderungen ist der Umgang mit Feststoffen in Mikroreaktoren. Um ein Verstopfen zu vermeiden, bedarf es der richtigen Strategie in der Handhabung. Nach dem Vorbild der technischen Chemie zeigt sich auch hier eine Fixierung poröser sphärischer Materialien als besonders geeignet. Dazu wurden in den Glasmikrochips poröse Polymereinheiten genutzt, welche mittels Photopolymerisation an beliebige Stellen eingebracht werden konnten. Diese wirken wie Siebe zum Rückhalt der zu untersuchenden, mit Organokatalysatoren funktionalisierten Silica-Partikel während der kontinuierlichen Betriebsweise des Reaktors.

Direkt anschließende On-line-Analytik

Ein essenzieller Aspekt bei der Entwicklung neuer Katalysatoren ist die Ermittlung wichtiger Prozessparameter wie zum Beispiel des Umsatzes oder der Selektivität. Wie in der klassischen Prozessanalytik ist eine In-situ-Überwachung, bei welcher Analysenergebnisse in quasi Echtzeit erhalten werden, besonders sinnvoll. Gerade dies gelingt mit integrierten Chiplaboratorien besonders elegant, indem die chemische Synthese und Analyse auf einem Substrat vereint wird. Der oben beschriebene Katalyse-Chip besitzt dazu unmittelbar angrenzend eine HPLC-Funktionalität in Form einer gepackten HPLC-Säule. Damit lässt sich mittels einer Ventilsteuerung außerhalb des Chips das erhaltene Reaktionsgemisch auf die HPLC-Säule auftragen und anschließend diskontinuierlich nach seinen Komponenten auftrennen (s. Bild 2).