Mikrowellen-Assistierte Kombinatorische Chemie

Die Verwendung von Mikrowellenstrahlung für die Zubereitung von Lebensmitteln ist aus dem täglichen Küchenalltag seit mehreren Jahrzehnten nicht mehr wegzudenken. Der Einsatz von Mikrowellen zur Beschleunigung chemischer Prozesse wurde dagegen erst in jüngerer Zeit populär. Mitte der achtziger Jahre wurde das erste Mal über dramatische Beschleunigungen von chemischen Reaktionen durch Bestrahlen mit Mikrowellen aus herkömmlichen Haushaltsmikrowellengeräten berichtet. Es konnte weiters gezeigt werden, daß gewisse Transformationen ausschließlich durch Mikrowellenenergie, nicht aber durch konventionelle Erwärmung in Gang gebracht werden können. Nachdem durch Mikrowellenbestrahlung Materie sozusagen "von Innen" erwärmt wird ergibt sich bei Verwendung von Mikrowellenenergie in chemischen Prozessen außer der Zeitersparnis auch eine enorme Energiesenkung. Im Rahmen dieses Projektes soll der Einfluß von Mikrowellenstrahlung auf verschiedene chemische Prozesse und Methoden untersucht werden. Ein Schwerpunkt liegt im Einsatz von Mikrowellenstrahlung in der pharmazeutischen Synthese. Um neue Wirkstoffe zu finden ist es notwendig, eine immer größer werdende Anzahl von synthetisierten Substanzen auf ihre biologische Wirkung zu testen. Die sogenannte "kombinatorische Chemie", die es ermöglicht eine Vielzahl von Substanzen in wenigen Arbeitsschritten für biologische Tests herzustellen, hat hier in den letzten Jahren einige spektakuläre Erfolge erzielt. Im Rahmen dieses Projektes soll nun die Verknüpfung von Mikrowellenenergie auf kombinatorische Prozesse untersucht werden. Dadurch könnten sog. "Substanzbibliotheken" für die biologische Evaluierung rasch und effizient generiert werden. Im Gegensatz zu den meisten Untersuchungen auf dem Gebiet der Mikrowellenchemie der letzten Jahre werden im Rahmen dieses Projektes keine Haushaltsmikrowellengeräte verwendet, sondern speziell für den jeweiligen Anwendungstyp hergestellte und kommerziell verfügbare Mikrowellenreaktoren eingesetzt. Diese erlauben ein sicheres Arbeiten mit großteils automatischer Kontrolle des Temperatur-, Druck- und Magnetrührverlaufs.

Die in diesem Projekt (2002-2005) erarbeiteten wissenschaftlichen Erkenntnisse haben dazu beigetragen, dass das Gebiet der Mikrowellen-assistierten Chemie unter kontrollierten Bedingungen (d.h. in speziellen Reaktoren) heute eine akzeptierte Technik zur Durchführung organischer Synthesen im Labormaßstab ist. Zur Zeit der Konzipierung des Projektes im Jahr 2000, wurde die Mikrowellenchemie noch oft als Laborkuriosität belächelt. Heute ist die Anzahl an Wissenschaftlern, die Zugang und Interesse an dieser Technologie haben, dramatisch im Ansteigen begriffen, und die Mikrowellenchemie wird in vielen Labors in Industrie und Hochschule heute bereits als Standardmethode verwendet. Nach jüngsten Schätzungen werden in wenigen Jahren vielleicht die meisten chemischen Prozesse, die Wärme benötigen unter Mikrowellenbedingungen durchgeführt. Im Rahmen dieses Projektes hat sich unsere Arbeitsgruppe in Graz intensiv mit den Vorteilen dieser Methode beschäftigt. Die größten Vorteile der Mikrowellensynthese liegen in den schnelleren Reaktionszeiten, den saubereren Reaktionsverläufen und den oft besseren Produktausbeuten, die erzielt werden können. Im Rahmen unserer Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass diese Vorteile für eine Reihe von ganz unterschiedlichen Reaktionen beobachtet werden können. Diese beinhalteten z.B. Verfahren zur Herstellung von biologisch aktiven Molekülen mittels sog. kombinatorischer Methoden, die die Darstellung einer größeren Anzahl von Substanzen in automatisierter Form ermöglichen. Ein weiterer Vorteil der Mikrowellenmethodik ist die Energieersparnis. Durch die wesentlich kürzeren Reaktionszeiten und das direkte Erwärmen des Reaktionsgemisches wird diese Technologie oft als "Green Chemistry" Methode beurteilt. Ein weiterer Aspekt unserer Forschungen lag im Studium der sog. speziellen Mikrowelleneffekte. In den meisten untersuchten Fällen konnte das rasche Aufheizen von Reaktionsgemischen und das Überhitzen von Lösungsmitteln in geschlossenen Reaktionsgefäßen für die beobachteten Effekte verantwortlich gemacht werden, und nicht die Existenz sog. nicht-thermischen Mikrowelleneffekte. Die Resultate unserer Grundlagenforschungen auf dem Gebiet der Mikrowellensynthese haben auch das Interesse von Österreichischen Industriepartnern geweckt, mit denen in anderen geförderten Projekten derzeit kooperiert wird.