Elbilbatterier inspirerer til sikrere, billigere måde at fremstille forbindelser, der bruges i medicin

Nylige fremskridt inden for batteriteknologi, fra konstruktion af deres sager til den elektrokemi, der finder sted inde i dem, har muliggjort den hurtige fremgang af Teslaer, blade, Volt og andre elbiler.

Nu, videnskabsmænd ved Scripps Research, inspireret af disse batteriers raffinerede elektrokemi, har udviklet et batterilignende system, der giver dem mulighed for at gøre potentielle fremskridt inden for fremstilling af medicin.

Deres nye metode, rapporteret i dag i Videnskab , undgår sikkerhedsrisici forbundet med en type kemisk reaktion kendt som opløsning af metalreduktion, som ofte bruges til at fremstille forbindelser, der bruges til fremstilling af medicin. Deres metode ville give enorme fordele i forhold til nuværende metoder til kemisk fremstilling, men indtil nu, er stort set sat på sidelinjen på grund af sikkerhedshensyn.

"De samme typer batterier, som vi bruger i vores elbiler i dag, var alt for farlige til kommerciel brug for et par årtier siden, men nu er de bemærkelsesværdigt sikre takket være fremskridt inden for kemi og teknik, " siger Phil Baran, Ph.D., der har Darlene Shiley-stolen i kemi ved Scripps Research og er seniorforfatter af Videnskab papir. "Ved at anvende nogle af de samme principper, der muliggjorde denne nye generation af batterier, vi har udviklet en metode til sikkert at udføre kraftigt reduktive kemiske reaktioner, som meget sjældent er blevet brugt i stor skala, fordi de – indtil nu – var for farlige eller dyre."

"Dette kan have en stor indvirkning på ikke kun fremstillingen af ​​lægemidler, " tilføjer Baran, "men også på tankegangen hos medicinske kemikere, som traditionelt undgår sådan kemi på grund af sikkerhedsproblemer. Dette problem blev faktisk gjort opmærksom på vores opmærksomhed af medforfatter Michael Collins, en medicinsk kemiker hos Pfizer, netop af denne grund."

En af de mest kraftfulde reaktioner, og repræsentative eksempler på denne dybt reducerende kemi, som kemikere bruger til at lave nye molekyler, er Birch-reduktionen, som stort set var banebrydende af den australske kemiker Arthur Birch i 1940'erne. Denne reduktive reaktion involverer opløsning af et reaktivt metal i flydende ammoniak for at manipulere ringformede molekyler, der kan bruges som grundlag for fremstilling af mange kemiske produkter, herunder lægemiddelmolekyler.

Proceduren kræver kondensering af ammoniak eller lignende forbindelser, som er ætsende, giftig og flygtig, og kombinere det med metaller som lithium, der er tilbøjelige til at bryde i flammer, hvis de udsættes for luft. Processen skal foregå ved ekstremt kolde temperaturer, kræver dyrt udstyr, og specialister.

Et sjældent eksempel på brugen af ​​en opløsende metalreduktion i farmaceutisk fremstilling er en lægemiddelkandidat til Parkinsons sygdom (sumanirol) udviklet af Pfizer, en bemærkelsesværdig præstation inden for kemisk fremstilling, der krævede en stor indsats. Systemet til at producere forbindelsen i stor skala kræver nok gasformig ammoniak til at fylde tre Boeing 747 passagerfly og skal udføres ved -35 grader Celsius. Den længde, som Pfizer gik til for at bruge denne kemi, er et vidnesbyrd om reaktionens syntetiske kraft, og det store ønske om at bruge det i storstilet fremstilling frem for enhver kendt metode.

For at overvinde disse væsentlige barrierer for at bruge sådan kemi, Baran og hans team så på de fremskridt, der er gjort inden for batteriproduktion ved at gå sammen med eksperter ved University of Utah, ledet af Shelley Minteer, Ph.D., og University of Minnesota, ledet af Matthew Neurock, Ph.d.

Lithium-ion (Li-ion) batterier, der bruges i moderne elektronik såsom mobiltelefoner, bærbare computere og elbiler er afhængige af fremskridt i en intern komponent kaldet solid electrolyte interphase (SEI). SEI er et beskyttende lag, der dannes på en af ​​elektroderne inde i en Li-ion, når batteriet først oplades, og gør det muligt at genoplade batteriet. Produktionen af ​​de sikre og effektive batterier, der nu bruges i forbrugerelektronik, var afhængig af mange års fremskridt med at optimere de kemiske forhold - sammensætningen af ​​elektrolytter, opløsningsmidler og additiver - der producerede SEI.

Holdet bemærkede, at reaktionen, der danner SEI i batterier, er en elektrokemisk reaktion, der ligner Birch-reaktionen og dens slægtninge. De formodede, at de kunne låne af, hvad batteriproducenter havde lært at forfølge en sikker og praktisk metode til at udføre elektroreduktionsreaktion.

"På mange måder ser du på lignende situationer - kraftfulde reaktioner, der når den udnyttes effektivt, kan give enorm nytte, " siger Solomon Reisberg, en kandidatstuderende i Baran-laboratoriet og en af ​​medforfatterne på Videnskab papir. "Holdet udnyttede den hårdt tilkæmpede viden om de forhold, der gør reduktiv elektrokemi i batterier praktisk og brugte den viden til at genoverveje, hvor dybt reduktiv kemi kunne bruges i stor skala."

Scripps Research-teamet begyndte med at teste en række additiver, der bruges til at forhindre overopladning i Li-ion-batterier og fandt ud af, at en kombination af to dem, stoffer kaldet dimethylurinstof, og TPPA, gjorde birkereaktionen mulig ved stuetemperatur.

Test af forskellige andre materialer, der bruges i batterier, Baran's team came up with a set of conditions that allowed them to not only conduct reductive electrosynthesis safely but also to increase the versatility of the reaction to create a wider variation of products that was not possible with previous electrochemical methods.

This method avoided the need for dissolving liquid metals in large quantities of ammonia—and the associated cost and risks—and instead used an electrolyte system similar to that used in batteries. In addition to the Birch reaction, the researchers were able to apply the technique to other types of powerful reactions often used in synthesis but rarely, hvis nogensinde, used in an industrial settings.

The researchers synthesized multiple versions of important single-ring compounds as well as molecules where multiple rings were combined to create more complex structures—structures that form the skeletons of drugs and other chemical products. In contrast to the enormously expensive devices previously required to conduct reductive chemistry in large quantities, the team collaborated with Asymchem Life Science, a chemical manufacturer based in Tianjin, Kina, to build a small modular device capable of generating large quantities of products for less than $250.

"This demonstrates that kilogram-scale synthesis of pharmaceutically relevant building blocks can be produced by adapting what we've learned about electrochemistry from the rapid advance of battery technology, " Baran says. "We anticipate that this will be a boon to industry, allowing them to finally bring these reactions to practical use."