The use of enabling technologies and continuous methods to enhance chemical synthesis is a vibrant area of research, gaining increasing attention from laboratories in academia and industry. Yet many prominent synthesis procedures have not changed for decades and require significant manual intervention from bench chemists, which may lead to the waste of both human and material resources. The research described herein details how chemistry has been bridged with engineering to address this issue in a world increasingly focussed on sustainability and efficiency. This thesis is divided into four chapters. The first describes the development of a novel Internet-based process control system which is applied to automate a cycling catalytic process. The capability of the system to conduct multi-dimensional self-optimisation processes is shown, where it is integrated with an on-line mass spectrometer and inline infrared spectrometer to drive optimisation against customisable multicomponent evaluation functions. Chapter 2 details the successful synthesis of the anti-cancer drug candidate AZ82. The control system is applied to assist with a number of these steps, including facilitating the integration between batch and flow processes on a single reactor platform. A new distillation unit to assist with downstream solvent switching is also described. In Chapter 3, the cloud-based nature of the control system is exploited by moving it to servers residing in Tokyo. The ability of the system to accelerate the drug development process is highlighted with the autonomous self-optimisation and synthesis of four active pharmaceutical ingredient targets: tramadol, lidocaine, bupropion and isoniazid. In the case of bupropion, the system maintained steady-state operation of a telescoped two-step process for an extended period. A researcher in Los Angeles was able to initiate and monitor all processes, via Japan, in real-time as they occurred in our laboratory in Cambridge, UK. Finally, Chapter 4 describes the development of a new parallel column supercritical fluid chromatography (SFC) unit that is capable of separating a multicomponent product stream continuously exiting a flow reactor. The versatility of the SFC unit is showcased with the telescoped synthesis of isoniazid in which all stages, including the SFC process itself, are managed by the control system without researcher intervention.

The last 15 years have seen tremendous advances in using different metal catalysts to functionalize traditionally unreactive C–H bonds. Given the high potential of these seemingly ideal strategic bond forming reactions, the uptake of C–H activation in fine chemical manufacture is slow. Part of the reason for this deficiency is limited mechanistic understanding of these complex reactions. This can preclude industrial applications of either batch or continuous C–H activation processes. Owing to the synthetic utility of C–H activation reactions, it is highly desirable to design intensified processes for this family of transformations, what can possibly facilitate industrialisation of C–H activation reactions. Firstly, an ab initio process design of a novel C(sp3)–H activation reaction giving access to aziridines yielded a predictive mechanistic model that has been used in an in silico optimisation. The identified set of conditions was suitable for a scalable continuous process. A separation technique was developed, and the utility of the process was extended by a subsequent reaction, a nucleophilic ring opening. Secondly, a black-box optimisation of the investigated reaction was performed. The applied algorithm was able to identify a set of conditions fulfilling the set targets within few experimental trails. The second project has set out to design a process for a C–H oxidative carbonylation. A kinetic study has shown that the reaction is CO-starved even at elevated pressures and that there is an optimal CO concentration. The turn-over number was increased from 8 to nearly 500. Two scalable processes were then developed. The first was a batch process, characterised by a very low catalyst loading. The second was, to the best of author’s knowledge, the first continuous process for an oxidative carbonylation reaction. The continuous process was tested on several oxidative carbonylations yielding excellent results with virtually no optimisation performed. Finally, an environmental sustainability assessment was performed using both, simplified metrics and an LCI analysis. The developed mechanistic understanding allowed identification of sources of inherent inefficiencies of C–H activation reactions. Appropriate solutions to these obstacles were suggested. Thus, it is believed that a step towards generic principles of design of intensified, scalable processes for C–H activation-type reactions has been made.

La qualité de communication dans un réseau sans fil est déterminée par la qualité du signal, et plus précisément par le rapport signal à interférence et bruit. Cela pousse chaque récepteur à se connecter à l'émetteur qui lui donne la meilleure qualité du signal. Nous utilisons la géométrie stochastique et la théorie des extrêmes pour obtenir la distribution de la meilleure qualité du signal, ainsi que celles de l'interférence et du maximum des puissances reçues. Nous mettons en évidence comment la singularité de la fonction d'affaiblissement modifie leurs comportements. Nous nous intéressons ensuite au comportement temporel des signaux radios en étudiant le franchissement de seuils par un processus stationnaire $X(t)$. Nous démontrons que l'intervalle de temps que $X(t)$ passe au-dessus d'un seuil $\gamma \to -\infty$ suit une distribution exponentielle, et obtenons également des résultats caractérisant des franchissements par $X(t)$ de plusieurs seuils adjacents. Ces résultats sont ensuite appliqués à la gestion de mobilité dans les réseaux cellulaires. Notre travail se concentre sur la fonction de 'handover measurement'. Nous identifions la meilleure cellule voisine lors d'un handover. Cette fonction joue un rôle central sur l'expérience perçue par l'utilisateur. Mais reste une question ouverte à cause des difficultés posées par la coopération entre plusieurs mécanismes de contrôle qu'elle nécessite. Nous traitons ce problème en proposant des approches analytiques pour les réseaux émergents de types macro et pico cellulaires, ainsi qu'une approche d'auto-optimisation pour les listes de voisinage utilisées dans les réseaux cellulaires actuels.

La qualité de communication dans un réseau sans fil est déterminée par la qualité du signal, et plus précisément par le rapport signal à interférence et bruit. Cela pousse chaque récepteur à se connecter à l'émetteur qui lui donne la meilleure qualité du signal. Nous utilisons la géométrie stochastique et la théorie des extrêmes pour obtenir la distribution de la meilleure qualité du signal, ainsi que celles de interférence et du maximum des puissances reçues. Nous mettons en évidence comment la singularité de la fonction d'affaiblissement modifie leurs comportements. Nous nous intéressons ensuite au comportement temporel des signaux radios en étudiant le franchissement de seuils par un processus stationnaire X (t). Nous démontrons que l'intervalle de temps que X (t) passe au-dessus d'un seuil γ → −∞ suit une distribution exponentielle, et obtenons 'egalement des r'esultats caract'erisant des franchissements par X (t) de plusieurs seuils adjacents. Ces r'esultats sont ensuite appliqu'es 'a la gestion de mobilit'e dans les r'eseaux cellulaires. Notre travail se concentre sur la fonction de 'handover measurement'. Nous identifions la meilleure cellule voisine lors d'un handover. Cette fonction joue un rôle central sur expérience perçue par l'utilisateur. Mais elle demande une coopération entre divers mécanismes de contrôle et reste une question difficile. Nous traitons ce problème en proposant des approches analytiques pour les réseaux émergents de types macro et pico cellulaires, ainsi qu'une approche d'auto- optimisation pour les listes de voisinage utilisées dans les réseaux cellulaires actuels.