Jüngste Fortschritte in der Batterie-Technologie, von der Konstruktion Ihrer Fälle an der Elektrochemie, der findet in Ihnen, konnte der rasante Anstieg der Teslas, Blätter, Volt und andere Elektrofahrzeuge.
Nun, Wissenschaftler an Scripps-Forschung, inspiriert von der raffinierten Elektrochemie von diesen Batterien entwickelt haben, eine Batterie-ähnliche system, das Ihnen erlaubt, um mögliche Entwicklungen für die Herstellung von Arzneimitteln.
Ihre neue Methode berichtet, Februar 22 in Wissenschaft, vermeidet Sicherheitsrisiken, die im Zusammenhang mit einer Art der chemischen Reaktion, bekannt als dissolving metal reduction, die Häufig verwendet werden, um zu produzieren verbindungen, verwendet bei der Herstellung von Arzneimitteln. Ihre Methode bietet enorme Vorteile gegenüber den gängigen Methoden der chemischen Fertigung, aber bis jetzt wurde weitgehend ins abseits gedrängt Sicherheitsgründen.
„Die gleichen Typen von Batterien, verwenden wir in unseren E-Autos wurden heute viel zu gefährlich für die kommerzielle Nutzung vor ein paar Jahrzehnten, aber jetzt sind Sie bemerkenswert sicher Dank der Fortschritte in der Chemie und Technik“, sagt Phil Baran, PhD, Inhaber des Darlene Shiley Chair in Chemistry at Scripps Research und senior-Autor des Science Papier. „Durch die Anwendung der gleichen Prinzipien, die dieser neuen generation von Batterien möglich ist, haben wir eine Methode entwickelt, um sicher zu Verhalten kraftvoll reduktive Chemische Reaktionen, die sehr selten benutzt worden, auf einer großen Skala, da — bis jetzt — waren Sie zu gefährlich oder zu kostspielig ist.“
„Dies könnte einen großen Einfluss nicht nur auf die Herstellung von Arzneimitteln,“ Baran fügt hinzu, „aber auch auf die Mentalität der medizinische Chemiker, die traditionell um solche Chemie aufgrund von Sicherheitsbedenken. Dieses problem wurde in der Tat gebracht, um unsere Aufmerksamkeit durch co-Autor Michael Collins, ein medizinischer Chemiker bei Pfizer, aus genau diesem Grund.“
Eine der leistungsfähigsten Reaktionen, und repräsentative Beispiele dieser tief Reduzierung von „Chemie“, die Chemiker verwenden, um neue Moleküle ist die Birch-Reduktion, die weitgehend Pionierarbeit von australischen Chemiker Arthur Birch in den 1940er Jahren. Diese reduktive Reaktion beinhaltet das auflösen von reaktiven Metallen in flüssigem Ammoniak zu manipulieren, ringförmige Moleküle, die verwendet werden können als Grundlage für die Herstellung vieler chemischer Produkte, einschließlich Drogen-Moleküle.
Die Prozedur ruft für kondensierende Ammoniak oder ähnliche Substanzen, die sind ätzend, giftig und flüchtig ist, und die Kombination mit Metallen wie lithium, sind anfällig zu platzen in Flammen, wenn Sie der Luft ausgesetzt werden. Der Prozess muss stattfinden bei extrem kalten Temperaturen, dass teure Ausrüstung und Spezialisten.
Ein Seltenes Beispiel für die Verwendung eines dissolving metal reduction in der pharmazeutischen Produktion ist eine Verbindung, die zuvor in der Entwicklung bei Pfizer, eine Bemerkenswerte Leistung in der chemischen Herstellung, der benötigt eine Herkules-Anstrengung. Die Anlage zur Herstellung der Verbindung in großem Maßstab erforderlich, genügend gasförmiges Ammoniak zu füllen, drei Boeing 747-Flugzeugen und durchgeführt werden müssen, bei -35 Grad Celsius. Die Längen, zu denen Pfizer ging für die Verwendung dieser Chemie sind ein Zeugnis für die Reaktion der synthetischen Kraft.
Zur überwindung dieser Hemmschwellen für die Verwendung solcher Chemie, Baran und sein team sah der Fortschritte in der Batterie-Herstellung durch den Zusammenschluss mit Experten an der Universität von Utah, geleitet von Shelley Minteer, PhD, und der University of Minnesota, geführt von Matthew Neurock, PhD.
Die lithium-Ionen – (Li-ion) Batterien in die moderne Elektronik wie Handys, Laptops und Elektro-Autos setzen auf Fortschritte in einer internen Komponente namens “ solid electrolyte interphase (SEI). Die SEI ist eine Schutzschicht, die Formen auf eine der Elektroden in Li-Ionen, wenn der Akku zuerst aufgeladen werden und ermöglicht, die Batterie wieder aufgeladen werden. Herstellung von sicheren und leistungsfähigen Batterien jetzt in der consumer-Elektronik stützte sich auf Jahre der Fortschritte in der Optimierung der chemischen Bedingungen — die Zusammensetzung der Elektrolyte, Lösungsmittel und Additive — , produziert das SEI.
Das team festgestellt, dass die Reaktion, die Formen des SEI in Batterien ist eine Elektrochemische Reaktion, ähnlich der Birke Reaktion und seine verwandten. Sie vermutet, dass Sie leihen könnte, von dem, was Batterie-Hersteller hatte gelernt, zu verfolgen, die eine sichere und praktische Methode, die Durchführung einer electroreduction Reaktion.
„In vielerlei Hinsicht, die Sie suchen, in ähnlichen Situationen-kraftvoller Reaktionen, die, wenn effektiv genutzt, kann eine enorme utility“, sagt Solomon Reisberg, ein student im Aufbaustudium in der Baran lab und einer der co-Autoren der Wissenschaft – Papier. „Das team nutzte die hart erkämpfte wissen über die Bedingungen der reduktiven Elektrochemie in Batterien, praktische und verwendet dieses wissen, um zu überdenken, wie tief reduktive Chemie könnte verwendet werden, auf einer großen Skala.“
The Scripps Research team begann mit der Prüfung einer Reihe von Zusatzstoffen verwendet, um zu verhindern das überladen der Batterie in Li-Ionen-Batterien und festgestellt, dass eine Kombination von zwei Substanzen, sogenannte dimethylurea und TPPA, machte die Birch-Reaktion bei Raumtemperatur möglich.
Testen von verschiedenen anderen Materialien, die in Batterien, Baran ‚ s team kam mit einer Reihe von Bedingungen, die es Ihnen erlaubte, nicht nur die Durchführung der reduktiven electrosynthesis sicher aber auch zur Erhöhung der Vielseitigkeit der Reaktion zu erstellen, die eine breitere variation von Produkten, die nicht möglich war, mit den bisherigen elektrochemischen Verfahren.
Diese Methode vermieden, die Notwendigkeit für die Auflösung von flüssigen Metallen in großen Mengen Ammoniak-und die damit verbundenen Kosten und Risiken — und verwendet stattdessen eine Elektrolyt-system ähnlich wie in Batterien. Neben der Birch-Reaktion, die Forscher waren in der Lage die Technik zu anderen Arten von leistungsfähigen Reaktionen Häufig verwendet, in der Synthese aber nur selten, wenn überhaupt, verwendet in den industriellen Einstellungen.
Die Forscher synthetisierten mehrere Versionen der wichtigen single-ring-compounds sowie Moleküle, in denen mehrere Ringe wurden kombiniert, um komplexere Strukturen, bilden die Skelette von Drogen, Medikamenten und anderen chemischen Produkten. Im Gegensatz zu den enorm teuren Geräte, die zuvor erforderlich, um die Durchführung der reduktiven Chemie in großen Mengen, die das team zusammen mit Asymchem Life Science, einem Hersteller von Chemikalien mit Sitz in Tianjin, China, zum Aufbau einer kleinen Modulares Gerät zur Erzeugung großer Mengen von Produkten, die für weniger als $250.
„Das zeigt, dass die Kilogramm-Maßstab Synthese von pharmazeutisch relevanten Bausteine produziert werden können, durch die Anpassung, was wir gelernt haben, über die Elektrochemie-von der schnellen Fortschritte der Batterietechnik“, sagt Baran. „Wir erwarten, dass dies ein Segen für die Industrie, so dass Sie schließlich bringen diese Reaktionen für die Praxis.“
The Scripps Research team arbeitete an dem Projekt mit Forschern von Pfizer Global Research and Development, University of Utah, der University of Minnesota und Asymchem Life Science in China.
Weitere Autoren auf dem Papier, Skalierbare und sichere synthetische organische electroreduction inspiriert von Li-Ionen-Akku-Chemie, waren Byron K. Peters, Kevin X., Rodriguez, Solomon H. Reisberg, Sebastian B. Beil, David P. Hickey, Yu Kawamata, Michael Collins, Jeremy Starr, Longrui Chen, Sagar Udyavara, Kevin Klunder, Timothy Gorey und Scott L. Anderson.
Die Forschung wurde unterstützt durch einen National Science Foundation Zuschuss für das Zentrum für Synthetische Organische Elektrochemie (CCI Phase 1 grant #1740656), Pfizer und Asymchem.