Recente ontwikkelingen in batterijtechnologie, van de engineering van hun koffers tot de elektrochemie die erin plaatsvindt, heeft de snelle opkomst van Tesla's mogelijk gemaakt, bladeren, Volt en andere elektrische auto's.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van Scripps Research, geïnspireerd door de verfijnde elektrochemie van deze batterijen, hebben een batterijachtig systeem ontwikkeld waarmee ze potentiële vooruitgang kunnen boeken bij de productie van medicijnen.

Hun nieuwe methode, vandaag gemeld in Wetenschap , vermijdt veiligheidsrisico's die verband houden met een soort chemische reactie die bekend staat als oplossende metaalreductie, die vaak wordt gebruikt om verbindingen te produceren die worden gebruikt bij de productie van medicijnen. Hun methode zou enorme voordelen bieden ten opzichte van de huidige methoden van chemische productie, maar tot nu toe, is grotendeels buiten spel gezet vanwege veiligheidsoverwegingen.

"Dezelfde soorten batterijen die we tegenwoordig in onze elektrische auto's gebruiken, waren een paar decennia geleden veel te gevaarlijk voor commercieel gebruik. maar nu zijn ze opmerkelijk veilig dankzij de vooruitgang in de chemie en techniek, " zegt Phil Baran, doctoraat, die de Darlene Shiley Chair in Chemistry bekleedt bij Scripps Research en een senior auteur is van de Wetenschap papier. "Door enkele van dezelfde principes toe te passen die deze nieuwe generatie batterijen mogelijk hebben gemaakt, we hebben een methode ontwikkeld om krachtig reductieve chemische reacties veilig uit te voeren die zelden op grote schaal zijn gebruikt omdat ze tot nu toe te gevaarlijk of te duur waren."

"Dit zou een grote impact kunnen hebben op niet alleen de productie van geneesmiddelen, "Baran voegt eraan toe, "maar ook over de mentaliteit van medicinale chemici die dergelijke chemie traditioneel vermijden vanwege veiligheidsproblemen. Dit probleem werd in feite onder onze aandacht gebracht door co-auteur Michael Collins, een medicinaal chemicus bij Pfizer, juist om deze reden."

Een van de krachtigste reacties, en representatieve voorbeelden van deze sterk reducerende chemie die chemici gebruiken om nieuwe moleculen te maken, is de berkenreductie, die grotendeels werd ontwikkeld door de Australische chemicus Arthur Birch in de jaren veertig. Deze reductiereactie omvat het oplossen van een reactief metaal in vloeibare ammoniak om ringvormige moleculen te manipuleren die kunnen worden gebruikt als basis voor het maken van veel chemische producten, waaronder medicijnmoleculen.

De procedure vereist condensatie van ammoniak of soortgelijke verbindingen, die corrosief zijn, giftig en vluchtig, en door het te combineren met metalen zoals lithium die bij blootstelling aan lucht gemakkelijk in brand kunnen vliegen. Het proces moet plaatsvinden bij extreem lage temperaturen, dure apparatuur nodig hebben, en specialisten.

Een zeldzaam voorbeeld van het gebruik van een reductie van oplossend metaal in de farmaceutische productie is een kandidaat-geneesmiddel voor de ziekte van Parkinson (sumanirol), ontwikkeld door Pfizer, een opmerkelijke prestatie in de chemische productie die een enorme inspanning vergde. Het systeem om de verbinding op grote schaal te produceren, vereist voldoende gasvormige ammoniak om drie Boeing 747-vliegtuigen te vullen en moet worden uitgevoerd bij -35 graden Celsius. De inspanningen van Pfizer om deze chemie te gebruiken, getuigen van de synthetische kracht van de reactie, en de grote wens om het in grootschalige productie te gebruiken boven elke bekende methode.

Om deze belangrijke barrières voor het gebruik van dergelijke chemie te overwinnen, Baran en zijn team keken naar de vooruitgang die is geboekt in de productie van batterijen door de krachten te bundelen met experts van de Universiteit van Utah, onder leiding van Shelley Minteer, doctoraat, en de Universiteit van Minnesota, onder leiding van Matthew Neurock, doctoraat

De lithium-ion (Li-ion) batterijen die worden gebruikt in moderne elektronica zoals mobiele telefoons, laptopcomputers en elektrische auto's zijn afhankelijk van de vooruitgang in een intern onderdeel dat de vaste elektrolyt-interfase (SEI) wordt genoemd. De SEI is een beschermende laag die zich vormt op een van de elektroden in een Li-ion wanneer de batterij voor het eerst wordt opgeladen en waarmee de batterij kan worden opgeladen. De productie van de veilige en efficiënte batterijen die nu in consumentenelektronica worden gebruikt, was afhankelijk van jarenlange vooruitgang bij het optimaliseren van de chemische omstandigheden:de samenstelling van elektrolyten, oplosmiddelen en additieven - die de SEI produceerden.

Het team merkte op dat de reactie die de SEI in batterijen vormt, een elektrochemische reactie is die lijkt op de Birch-reactie en zijn verwanten. Ze vermoedden dat ze konden lenen van wat batterijfabrikanten hadden geleerd om een ​​veilige en praktische methode na te streven voor het uitvoeren van elektroreductiereacties.

"In veel opzichten kijk je naar vergelijkbare situaties - krachtige reacties die, wanneer effectief ingezet, kan enorm nuttig zijn, " zegt Solomon Reisberg, een afgestudeerde student in het Baran-lab en een van de co-auteurs van de Wetenschap papier. "Het team profiteerde van de zwaarbevochten kennis over de omstandigheden die reductieve elektrochemie in batterijen praktisch maken en gebruikte die kennis om te heroverwegen hoe diep reductieve chemie op grote schaal zou kunnen worden gebruikt."

Het Scripps Research-team begon met het testen van een reeks additieven die worden gebruikt om overladen in Li-ion-batterijen te voorkomen en ontdekte dat een combinatie van twee, stoffen genaamd dimethylureum, en TPPA, maakte de Birch-reactie mogelijk bij kamertemperatuur.

Testen van verschillende andere materialen die in batterijen worden gebruikt, 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, if ever, 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, China, 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."