Diseño y optimización de reacciones

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El diseño y la optimización de las reacciones químicas son vitales en la síntesis orgánica experimental. Mediante la alteración de los parámetros de la reacción (catalizador, pH, disolvente, temperatura o tiempo) pueden lograrse ciertos resultados (ahorro de costes, pureza, selectividad o rendimiento). Para optimizar las reacciones químicas se requiere flexibilidad, precisión y reproducibilidad de las herramientas de síntesis con las cuales se llevan a cabo los experimentos. En el diseño de las reacciones químicas, el foco se pone en la elaboración de una vía sintética de una molécula específica a partir de materiales de partida comercializados. Normalmente se adopta un «enfoque desconectado», en el se centra la atención en la construcción de enlaces clave. El proceso se descompone en etapas simples, trabajando hacia atrás desde la molécula objetivo, en vez de hacia delante desde el material de partida. Si bien muchos químicos recurren a su extenso conocimiento de la reacción para elaborar estas rutas sintéticas, en la actualidad existen muchos programas, como SYNTHIA™, que permiten a los usuarios analizar con facilidad vías personalizadas para moléculas conocidas y nuevas frente a criterios de búsqueda.

Para optimizar las reacciones pueden emplearse diversas metodologías experimentales. En un enfoque de ensayo y error, o de una variable cada vez, se mantienen constantes todas las entradas experimentales salvo una para registrar un determinado resultado. Se realiza una serie de reacciones hasta que se determina un óptimo. A continuación se elige otra variable y se repite el proceso hasta que se han probado todas las variables y se ha establecido un conjunto de valores óptimos.

En el enfoque multiparamétrico, o «diseño de experimentos», se modifican simultáneamente varios factores desde su valor mínimo hasta el máximo para encontrar las condiciones óptimas con más eficacia. Se ejecutan las diferentes combinaciones en el mismo conjunto de experimentos. Se llevan a cabo otros experimentos entre factores bajos y factores altos para determinar la variabilidad intrínseca. Los valores pueden representarse en un cubo para ilustrar las relaciones entre los factores y las respuestas. Para que este proceso de optimización tenga éxito, debe prestarse atención a la reproducibilidad realizando las reacciones de una manera sistemática y en un marco controlado.

Después de encontrar una vía sintética viable para sintetizar la molécula deseada, se dedica un número incontable de horas a optimizar cada reacción química con el fin de conseguir que el producto sea mejor, más rápido o más eficiente. La utilización de la optimización del diseño de reacciones químicas puede producir avances científicos con mayor rapidez.

Figura 1. Tablas de optimización de reacción

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