Реактор сам оптимизирует реакцию

Исследователи из США разработали автоматизированный потоковый реактор, который в зависимости от результатов эксперимента изменяет условия его проведения. С помощью такого устройства можно найти оптимальные условия протекания каталитической реакции за один рабочий день («Reaction Chemistry and Engineering», 2016, 1, 658—666, doi: 10.1039/C6RE00153J).

Подбор идеальных условий для любой химической реакции, в особенности каталитической, нельзя назвать легким делом. Необходимо подобрать тип и содержание катализатора, найти оптимальную температуру и продолжительность процесса, выяснить, какие концентрации реагентов позволят получить максимальный выход нужного продукта. Временами для подбора условий приходится проводить сотни экспериментов.

В новой работе химики­-синтетики и химики-­технологи из групп Стефана Бухвальда и Клавса Йенсена, работающих в Массачусетском технологическом институте, создали новую систему, которая существенно экономит время, уходящее на оптимизацию реакции. Автоматическое устройство в течение рабочего дня может провести около сотни экспериментов, подобрав оптимальные условия для реакции кросс­-сочетания Сузуки — Мияуры. Эта реакция — важный инструмент для получения связи углерод­-углерод — применяется в том числе и в химической промышленности. Роль человека в обслуживании этого прибора сводится к тому, чтобы включить его в начале рабочего дня и выключить в конце.

Пока устройство работает, оно в автономном режиме проводит собственные эксперименты, обрабатывает данные и использует информацию, полученную при обработке, для проведения новых экспериментов, шаг за шагом оптимизируя процесс. Строго говоря, оно делает все то, чем обычно занимается химик­-синтетик, но быстрее.

Общая схема устройства кажется простой. Автоматизированный манипулятор дозирует реакционную смесь микролитровыми каплями, они проходят через реактор проточного типа, в котором взаимодействуют компоненты. Капли, вышедшие из реактора, попадают в устройство для высокоэффективной жидкостной хроматографии, где разделяются на отдельные вещества — их анализируют с помощью оптической спектроскопии и масс­-спектрометрии. Результаты обрабатывает компьютерная программа, на основе полученных данных корректируются команды, с помощью которых манипулятор формирует очередную каплю реакционной смеси.

Райан Хартман из Университета Нью­-Йорка, специалист по проектировке потоковых реакторов и микрореакторов непрерывного действия, высоко оценивает новую совместную разработку химиков и инженеров. По его мнению, «робот­-синтетик» может оказаться полезным и для химиков-­органиков, и для химиков-­технологов. Автоматизация лабораторий химиков­-синтетиков — одна из важнейших задач: замена лабораторного стекла на лабораторные реакторы вполне может привести к революции в химии и смежных естественных науках.