Verbindungen schaffen: gemeinsam transformative Chemie voranbringen

Weniger Aufwand in der Wirkstoffherstellung

Komplexe organische Moleküle sind von großer gesellschaftlicher Bedeutung. Sie finden sich beispielsweise oft als Medikamente in der Apotheke wieder. Ihre Herstellung ist häufig sehr aufwendig und benötigt viele Ressourcen. Die Elektrosynthese als aufkommende Technologie könnte hierbei Abhilfe schaffen. Sie hat das Potenzial, bei entsprechender industrieller Anwendbarkeit eine Schlüsseltechnologie für die chemisch-pharmazeutische Industrie zu werden und nachhaltigere Produktionsprozesse zu ermöglichen.

Jedoch stellt die Elektrosynthese für die Herstellung von chemischen Arzneistoffen im industriellen Maßstab noch eine Herausforderung dar. Genau hier wollen Fraunhofer, Max-Planck und Boehringer Ingelheim gemeinsam anpacken: "Mit der zweiten Förderphase des ETOS Clusters schaffen wir die Grundlage, um elektrochemische Technologie in die pharmazeutische Entwicklung zu integrieren. Wir wollen gemeinsam und langfristig Prozesse wirtschaftlicher gestalten. Wir freuen uns, mit Fraunhofer IMM und dem MPI CEC zwei konkrete Forschungsprojekte voranzubringen", erklärt Dr. Rong Zhao, Prozesschemikerin bei Boehringer Ingelheim.

Wichtig für die Herstellung von Medikamenten

Ein zentrales Vorhaben ist das gemeinsame Verbundprojekt BECBI, das die elektrochemische Regenerierung des Cofaktors NADPH für biokatalytische Prozesse erforscht. Durch den Einsatz neuartiger Elektrodenarchitekturen und kontinuierlicher Reaktortechnologie soll am Fraunhofer IMM innerhalb von 36 Monaten ein skalierbarer, effizienter und ressourcenschonender Prozess entstehen. "Die Kombination aus elektrochemischen Verfahren und kontinuierlicher Prozessführung bietet großes Potenzial für nachhaltige Synthesewege", sagt Dr. Thomas H. Rehm, Gruppenleiter am Fraunhofer IMM.

Die Kooperation mit dem Max-Planck-Institut fokussiert sich auf die elektrochemische Darstellung von wichtigen Bausteinen organischer Moleküle, den sogenannten Heterozyklen, wie Pyrazolen und Triazolen. Hierbei wird die elektrochemische Bildung von Stickstoff-Stickstoff-Bindungen untersucht und die Eigenschaften stickstoffhaltiger funktioneller Gruppen genutzt, um pharmakologisch relevante Heterozyklen zu synthetisieren. "Der Verbund ESYN4HET entwickelt in einem Zeitraum von 36 Monaten elektrosynthetische Methoden, die sowohl prozesstechnisch anwendbar sind als auch den hohen Anforderungen der Pharmaindustrie nach Produktqualität und Verfahrensrobustheit entsprechen", erklärt Prof. Dr. Siegfried Waldvogel vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion.

Boehringer Ingelheim

Boehringer Ingelheim ist ein biopharmazeutisches Unternehmen, das in den Bereichen Humanmedizin und Tiergesundheit tätig ist. Als einer der größten Investoren in Forschung und Entwicklung konzentriert sich das Unternehmen auf die Entwicklung innovativer Therapien in Bereichen mit hohem ungedecktem medizinischem Bedarf. Durch die Unabhängigkeit seit seiner Gründung im Jahr 1885 nimmt Boehringer eine langfristige Perspektive ein. Unsere rund 54.300 Mitarbeitenden bedienen über 130 Märkte für eine gesündere Zukunft. Erfahren Sie mehr unter www.boehringer-ingelheim.com.

Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM

Das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM in Mainz beschäftigt sich im Bereich Flow and Formulation Chemistry (Dr. Iryna Savych) mit der nachhaltigen Gestaltung chemischer und pharmazeutischer Produktionsprozesse durch kontinuierliche Verfahren mit (mikro)strukturierten Reaktoren und Mischern zur Prozessintensivierung. Schwerpunkte liegen in den Gruppen Flow Chemistry (Dr. Patrick Löb), Prozesstechnologien für die Foto-, Bio- und Elektrokatalyse (Dr. Thomas H. Rehm) sowie im allgemeinen Feld der Elektrochemie (Dr. Athanassios Ziogas, Dr. Johannes Rocker). Seit über 25 Jahren entwickelt das IMM mikrostrukturierte elektrochemische Reaktoren und deren Anwendung für kontinuierliche organische Synthesen. Der Fokus liegt auf der Skalierung mittels modularer Plattenstapelkonzepte für industrielle Produktionsdurchsätze. Im HAVANA-Projekt wurden Reaktoren für die Synthese von Carbamaten und Harnstoffen entwickelt und nach erfolgreicher Erprobung im Kilo-Labor auf eine Elektrodenfläche von 0,1 m² skaliert.

Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion

Prof. Waldvogel, Direktor des Departments für Elektrosynthese am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, bietet eine umfassende Elektrosyntheseausstattung: Vom automatisierten Screening mit wenigen Millilitern Elektrolyten bis zur Hochskalierung im Hekto- und Kilogramm-Maßstab. Am MPI CEC in Mülheim stehen ein 24/7-Bereich und ein Elektrosynthese-Kilolabor zur Verfügung. Es existieren rund 80 Elektrodenmaterialien, eine breite Bibliothek an Leitsalzen sowie diverse Elektrolysezellen und Aufbauten. Die Expertise umfasst über 500 Originalarbeiten, >60 Patentanmeldungen und zahlreiche Übersichten. Zusammen mit den IKA-Werken wurden das IKA-Screeningsystem und das modulare Flusselektrolyseursystem ElectraSyn flow entwickelt. Glas-Topfzellen für präparative Elektrosynthese wurden im Rahmen der SynLectro-Serie (Sigma-Aldrich) auf den Markt gebracht. Weitere Schwerpunkte sind: Reaktionsoptimierung, neue Elektrotransformationen, skalierbare organische Elektrosynthese, innovative Elektrolysezellen und Elektrodenkonzepte. Mit der Berufung ans MPI CEC wurde die Automatisierung der Elektrosynthese auch im technischen Maßstab ausgebaut.

Förderung durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt

Alle drei Projekte wurden und werden im Rahmen des ETOS-Clusters, in Clusters4Future, durch das BMFTR gefördert.

Die Autoren würdigen die finanzielle Unterstützung des BMFTR durch die Clusters4future-Initiative "ETOS - Elektrifizierung technischer organischer Synthesen" (Projekt HAVANA: FKZ 03ZU1205DD, 03ZU1205DC, 03ZU1205DB, Projekt BECBI: FKZ 03ZU2205QA, 03ZU2205QB; Projekt ESYN4HET: FKZ 03ZU2205HA, 03ZU2205HB).

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