Het ontwerpen van een nieuwe chemische synthese kan een arbeidsintensief proces zijn met een behoorlijke hoeveelheid sleur – het mengen van chemicaliën, het meten van temperaturen, het analyseren van de resultaten, en dan opnieuw beginnen als het niet lukt.

MIT-onderzoekers hebben nu een geautomatiseerd chemisch synthesesysteem ontwikkeld dat veel van de meer vervelende aspecten van chemische experimenten kan overnemen, scheikundigen vrijmaken om meer tijd te besteden aan de meer analytische en creatieve aspecten van hun onderzoek.

"Ons doel was om een ​​gebruiksvriendelijk systeem te creëren waarmee wetenschappers de beste voorwaarden kunnen bedenken om hun moleculen interessant te maken - een algemeen chemisch syntheseplatform met zoveel mogelijk flexibiliteit, " zegt Timothy F. Jamison, hoofd van MIT's Department of Chemistry en een van de leiders van het onderzoeksteam.

Dit systeem zou de hoeveelheid tijd kunnen verminderen die nodig is om een ​​nieuwe reactie te optimaliseren, van weken of maanden tot een enkele dag, zeggen de onderzoekers. Ze hebben de technologie gepatenteerd en hopen dat deze op grote schaal zal worden gebruikt in zowel academische als industriële chemielaboratoria.

“Toen we dit gingen doen, we wilden dat het iets was dat over het algemeen bruikbaar was in het lab en niet te duur, " zegt Klavs F. Jensen, de Warren K. Lewis hoogleraar chemische technologie aan het MIT, die het onderzoeksteam leidde. "We wilden technologie ontwikkelen die het voor chemici veel gemakkelijker zou maken om nieuwe reacties te ontwikkelen."

Voormalig MIT-postdoc Anne-Catherine Bédard en voormalig MIT-onderzoeksmedewerker Andrea Adamo zijn de hoofdauteurs van het artikel, die verschijnt in de online editie van 20 september van Wetenschap .

Meegaan met de stroom

Het nieuwe systeem maakt gebruik van een soort chemische synthese die bekend staat als continue stroom. Met deze aanpak, de chemische reagentia stromen door een reeks buizen, en op verschillende punten kunnen nieuwe chemicaliën worden toegevoegd. Andere processen zoals scheiding kunnen ook optreden als de chemicaliën door het systeem stromen.

In tegenstelling tot, traditionele "batchchemie" vereist dat elke stap afzonderlijk wordt uitgevoerd, en menselijke tussenkomst is vereist om de reagentia naar de volgende stap te verplaatsen.

Een paar jaar geleden, Jensen en Jamison ontwikkelden een continustroomsysteem dat snel geneesmiddelen op aanvraag kan produceren. Vervolgens richtten ze hun aandacht op kleinere systemen die konden worden gebruikt in onderzoekslaboratoria, in de hoop veel van de repetitieve handmatige experimenten te elimineren die nodig zijn om een ​​nieuw proces te ontwikkelen om een ​​bepaald molecuul te synthetiseren.

Om dat te bereiken, het team ontwierp een plug-and-play-systeem met verschillende modules die kunnen worden gecombineerd om verschillende soorten synthese uit te voeren. Elke module is ongeveer zo groot als een grote mobiele telefoon en kan worden aangesloten op een poort, net zoals computercomponenten kunnen worden aangesloten via USB-poorten. Sommige modules voeren specifieke reacties uit, zoals die gekatalyseerd door licht of door een vaste katalysator, terwijl anderen de gewenste producten scheiden. In het huidige systeem is vijf van deze componenten kunnen tegelijk worden aangesloten.

De persoon die de machine gebruikt, bedenkt een plan om een ​​gewenst molecuul te synthetiseren en sluit vervolgens de benodigde modules aan. De gebruiker vertelt de machine vervolgens welke reactieomstandigheden (temperatuur, concentratie van reagentia, stroomsnelheid, enz.) om mee te beginnen. Voor de volgende dag of zo, de machine gebruikt een algemeen optimalisatieprogramma om verschillende omstandigheden te verkennen en uiteindelijk te bepalen welke omstandigheden de hoogste opbrengst van het gewenste product opleveren.

In de tussentijd, in plaats van handmatig chemicaliën met elkaar te mengen en vervolgens de producten te isoleren en te testen, de onderzoeker kan iets anders gaan doen.

"Terwijl de optimalisaties worden uitgevoerd, de gebruikers zouden met hun collega's kunnen praten over andere ideeën, ze zouden aan manuscripten kunnen werken, of ze kunnen gegevens van eerdere runs analyseren. Met andere woorden, de meer menselijke aspecten van onderzoek doen, ' zegt Jamison.

Snel testen

In de nieuwe studie de onderzoekers creëerden ongeveer 50 verschillende organische verbindingen, en ze geloven dat de technologie wetenschappers zou kunnen helpen om sneller verbindingen te ontwerpen en te produceren die kunnen worden getest als potentiële medicijnen of andere nuttige producten. Dit systeem moet het voor chemici ook gemakkelijker maken om reacties te reproduceren die anderen hebben ontwikkeld, zonder elke stap van de synthese opnieuw te moeten optimaliseren.

"Als je een machine hebt waar je gewoon de componenten insteekt, en iemand probeert dezelfde synthese te doen met een vergelijkbare machine, ze zouden dezelfde resultaten moeten kunnen krijgen, ' zegt Jensen.

De onderzoekers werken nu aan een nieuwe versie van de technologie die nog meer ontwerpwerk zou kunnen overnemen, inclusief het bedenken van de volgorde en het type te gebruiken modules.