Bewertung des Potentials der Bevorzugten Kristallisation zur Enantiomerentrennung

Chiralität, d.h. die Eigenschaft, dass sich zwei Objekte wie Bild und Spiegelbild verhalten, spielt eine besondere Rolle in der Chemie, Biologie, Pharmazie und Medizin. Bei der chemischen Synthese chiraler Moleküle entsteht häufig als Produkt ein racemisches Gemisch, d.h. die beiden Enantiomere liegen zu gleichen Anteilen vor. Häufig kann jedoch nur eines der beiden Enantiomere als Wirkstoff verwendet werden, da sich die physiologischen Wirkungen auf den menschlichen Organismus signifikant unterscheiden können. Eine sehr alte Methode der Enantiomerentrennung ist die Bevorzugte Kristallisation. Sie stellt eine interessante Alternative zu den sonst üblichen, gewöhnlich kostenintensiveren und technisch aufwendigeren chromatographischen oder biochemischen Trennverfahren, dar. Die Enantiomerengewinnung mittels der Bevorzugten Kristallisation wurde bisher ausschließlich für konglomeratbildende Stoffsysteme untersucht und technisch realisiert. Jedoch weist nur ein geringer Teil aller chiralen Stoffsysteme die notwendige Unmischbarkeit der beiden Enantiomere in der festen Phase auf. Enantiomere der wesentlich häufiger vorkommenden verbindungsbildenden Stoffsysteme können aus thermodynamischer Sicht nicht direkt mit Hilfe der Bevorzugten Kristallisation gewonnen werden. Die Übertragung des Prinzips der Bevorzugten Kristallisation auf die große Gruppe der verbindungsbildenden Systeme würde zu einer signifikanten Erweiterung des Anwendungsgebietes dieser interessanten Trenntechnik führen. Für die Gewinnung der reinen Enantiomere im Fall der verbindungsbildenden Systeme wird zu Beginn dieser Arbeit ein neuartiger Hybridprozess vorgeschlagen. Bei diesem innovativen Gedankenansatz wird racemisches Ausgangsmaterial zunächst in zwei mit jeweils einem Enantiomer angereicherte Fraktionen angetrennt (z.B. mittels Chromatographie). Die jeweils erzielte enantiomere Anreicherung kann im nachgeschalteten Bevorzugten Kristallisationsschritt kristallisiert werden. Häufig ist es jedoch nicht möglich, die im ersten Schritt erzielte enantiomere Anreicherung vollständig zu gewinnen. Zur Vermeidung größerer Produktverluste kann ein zyklischer Bevorzugter Kristallisationsprozess realisiert werden. Hierbei wird angereichertes Ausgangsmaterial möglichst mit eutektischer Zusammensetzung in das gewünschte Enantiomer und Racemat aufgespalten. Das Racemat kann in den vorgeschalteten Anreicherungsschritt zurück geführt werden. Ob dass Zielenantiomer mittels einer einfachen absatzweisen oder zyklischen Bevorzugten Kristallisation gewonnen werden kann, ist abhängig vom jeweiligen Stoffsystem. Ziel dieser Arbeit ist der Nachweis der generellen Machbarkeit des Schrittes der Bevorzugten Kristallisation für den Fall der verbindungsbildenden Systeme. Des Weiteren soll gezeigt werden, dass eine Übertragbarkeit bekannter klassischer aber auch neuer innovativer Prozessstrategien, die bereits bei der Gewinnung von Enantiomeren im Fall der konglomeratbildenden Systeme Anwendung finden, experimentell realisiert werden können. Als chirale Modellsysteme wurden Threonin, Mandelsäure, Propranololhydrochlorid und Methionin ausgewählt. Die vier Stoffsysteme weisen unterschiedliche thermodynamische Charakteristika auf, die einen signifikanten Einfluss auf die Trennstrategie haben. Im experimentellen Teil werden zunächst die ermittelten Phasendiagramme und das Unterkühlungsverhalten für die zu untersuchenden Stoffsysteme vorgestellt. Basierend auf diesen Stoffdaten wurden die im zweiten Teil vorgestellten Kristallisationsexperimente geplant und durchgeführt. Threonin gehört zur Gruppe der konglomeratbildenden Stoffsysteme und diente als Referenzsystem für erste Untersuchungen zur Enantiomerengewinnung mittels der Bevorzugten Kristallisation. Des Weiteren wurde die vorhandene Online- und Inline-Analysetechnik getestet. Eine Kombination aus Polarimeter, Dichtemessgerät, PVM- und FBRM-Sonde erwies sich als „optimale“ Prozessanalytik zur Verfolgung und Kontrolle des Trennprozesses. Bei den verbindungsbildenden Systemen Mandelsäure, Propranololhydrochlorid und Methionin wurden verschiedene Saat- und Kristallisationsstrategien im Labormaßstab im absatzweisen und zyklischen Betrieb untersucht. Im Fall der Mandelsäure wurde weiterhin die Möglichkeit einer technischen Realisierung im Technikummaßstab überprüft. Ziel ist es, die erzielten Produktreinheiten, Produktivitäten und Ausbeuten für die verschiedenen Saat- und Kristallisationsstrategien miteinander zu vergleichen, um den effektivsten Kristallisationsprozess zu ermitteln. Des Weiteren sollen die erzielten Produktreinheiten, Produktivitäten und Ausbeuten der verbindungsbildenden Systeme mit denen des Threonins und weiterer konglomeratbildender Systeme aus der Literatur verglichen werden, um neben der allgemeinen Machbarkeit auch eine Bewertung der wirtschaftlichen Attraktivität des Trennschritts zu ermöglichen. Des Weiteren werden zum Abschluss alternative Prozessstrategien zur Gewinnung der reinen Enantiomere unter Berücksichtigung der simultanen Kristallisation vorgestellt. Ziel ist es, die Ausbeuten und Produktivitäten nochmals zu steigern. Basierend auf den alternativen Prozessstrategien werden Vorschläge für zukünftige Arbeiten diskutiert. Zum Ende der Arbeit werden die gewonnenen Ergebnisse zusammengefasst und ein „Entscheidungsbaum“ erarbeitet, der eine schnelle und einfache Realisierung künftiger Trennaufgaben ermöglichen soll