Plug-and-play teknologi automatiserer kemisk syntese

At designe en ny kemisk syntese kan være en besværlig proces med en hel del slid involveret - at blande kemikalier, måling af temperaturer, analysere resultaterne, så start forfra, hvis det ikke lykkes.

MIT-forskere har nu udviklet et automatiseret kemisk syntesesystem, der kan overtage mange af de mere kedelige aspekter af kemiske eksperimenter, frigøre kemikere til at bruge mere tid på de mere analytiske og kreative aspekter af deres forskning.

"Vores mål var at skabe et let-at-bruge system, der ville gøre det muligt for forskere at komme med de bedste betingelser for at gøre deres molekyler af interesse - en generel kemisk syntese platform med så meget fleksibilitet som muligt, " siger Timothy F. Jamison, leder af MIT's Institut for Kemi og en af ​​lederne af forskerholdet.

Dette system kan reducere den tid, der kræves for at optimere en ny reaktion, fra uger eller måneder ned til en enkelt dag, siger forskerne. De har patenteret teknologien og håber, at den vil blive meget brugt i både akademiske og industrielle kemi laboratorier.

"Da vi satte os for at gøre dette, vi ønskede, at det skulle være noget, der generelt var brugbart i laboratoriet og ikke for dyrt, " siger Klavs F. Jensen, Warren K. Lewis professor i kemiteknik ved MIT, som var med til at lede forskerholdet. "Vi ønskede at udvikle teknologi, der ville gøre det meget lettere for kemikere at udvikle nye reaktioner."

Tidligere MIT postdoc Anne-Catherine Bédard og tidligere MIT forskningsassistent Andrea Adamo er hovedforfatterne af papiret, som optræder i onlineudgaven af ​​20. september af Videnskab .

Går med strømmen

Det nye system gør brug af en type kemisk syntese kendt som kontinuerlig flow. Med denne tilgang, de kemiske reagenser strømmer gennem en række rør, og nye kemikalier kan tilføjes på forskellige punkter. Andre processer såsom separation kan også forekomme, når kemikalierne strømmer gennem systemet.

I modsætning, traditionel "batch-kemi" kræver, at hvert trin udføres separat, og menneskelig indgriben er påkrævet for at flytte reagenserne videre til næste trin.

Et par år siden, Jensen og Jamison udviklede et kontinuerligt flow-system, der hurtigt kan producere lægemidler efter behov. De rettede derefter deres opmærksomhed mod mindre systemer, der kunne bruges i forskningslaboratorier, i håb om at eliminere meget af de gentagne manuelle eksperimenter, der er nødvendige for at udvikle en ny proces til at syntetisere et bestemt molekyle.

For at opnå det, teamet designede et plug-and-play system med flere forskellige moduler, der kan kombineres til at udføre forskellige typer syntese. Hvert modul er omtrent på størrelse med en stor mobiltelefon og kan tilsluttes en port, ligesom computerkomponenter kan tilsluttes via USB-porte. Nogle af modulerne udfører specifikke reaktioner, såsom dem, der katalyseres af lys eller af en fast katalysator, mens andre udskiller de ønskede produkter. I det nuværende system, fem af disse komponenter kan tilsluttes på én gang.

Personen, der bruger maskinen, kommer med en plan for, hvordan man syntetiserer et ønsket molekyle og tilslutter derefter de nødvendige moduler. Brugeren fortæller derefter maskinen, hvilke reaktionsbetingelser (temperatur, koncentration af reagenser, strømningshastighed, osv.) til at starte med. For den næste dag eller deromkring, maskinen bruger et generelt optimeringsprogram til at udforske forskellige forhold og i sidste ende bestemme, hvilke forhold der genererer det højeste udbytte af det ønskede produkt.

I mellemtiden i stedet for manuelt at blande kemikalier sammen og derefter isolere og teste produkterne, forskeren kan tage afsted for at gøre noget andet.

"Mens optimeringerne udføres, brugerne kunne tale med deres kolleger om andre ideer, de kunne arbejde på manuskripter, eller de kunne analysere data fra tidligere kørsler. Med andre ord, gør de mere menneskelige aspekter af forskning, " siger Jamison.

Hurtig test

I den nye undersøgelse, forskerne skabte omkring 50 forskellige organiske forbindelser, og de mener, at teknologien kan hjælpe videnskabsmænd hurtigere med at designe og producere forbindelser, der kan testes som potentielle lægemidler eller andre nyttige produkter. Dette system skulle også gøre det lettere for kemikere at reproducere reaktioner, som andre har udviklet, uden at skulle reoptimere hvert trin i syntesen.

"Hvis du har en maskine, hvor du bare tilslutter komponenterne, og nogen forsøger at lave den samme syntese med en lignende maskine, de burde kunne opnå de samme resultater, siger Jensen.

Forskerne arbejder nu på en ny version af teknologien, der kan overtage endnu mere af designarbejdet, herunder at komme med rækkefølgen og typen af ​​moduler, der skal bruges.