Los recientes avances en tecnología de baterías, desde la ingeniería de sus estuches hasta la electroquímica que tiene lugar dentro de ellos, ha permitido el rápido aumento de Teslas, Leafs, Voltios y otros autos eléctricos.
Ahora, los científicos de Scripps Research, inspirados por la refinada electroquímica de estas baterías, han desarrollado un sistema similar a una batería que les permite hacer posibles avances para la fabricación de medicamentos.
Su nuevo método, reportado el 22 de febrero en ciencia , evita los riesgos de seguridad asociados con un tipo de reacción química conocida como reducción de la disolución de metales, que a menudo se utiliza para producir compuestos utilizados en la fabricación de medicamentos. Su método ofrecería enormes ventajas sobre los métodos actuales de fabricación de productos químicos, pero hasta ahora,se ha dejado de lado en gran medida debido a consideraciones de seguridad.
"Hace unas décadas, los mismos tipos de baterías que usamos en nuestros autos eléctricos eran demasiado peligrosos para uso comercial, pero ahora son notablemente seguros gracias a los avances en química e ingeniería", dice Phil Baran, PhD, quien sostienela Cátedra Darlene Shiley de Química en Scripps Research y es autora principal de la ciencia papel. "Al aplicar algunos de los mismos principios que hicieron posible esta nueva generación de baterías, hemos desarrollado un método para conducir de manera segura reacciones químicas poderosamente reductoras que rara vez se han utilizado a gran escala porque, hasta ahora,eran demasiado peligrosos o costosos "
"Esto podría tener un gran impacto no solo en la fabricación de productos farmacéuticos", agrega Baran, "sino también en la mentalidad de los químicos medicinales que tradicionalmente evitan dicha química debido a problemas de seguridad. De hecho, este problema nos llamó la atencióncoautor Michael Collins, químico medicinal de Pfizer, precisamente por este motivo "
Una de las reacciones más poderosas y ejemplos representativos de esta química profundamente reductora que los químicos usan para fabricar nuevas moléculas es la reducción de abedul, que fue pionera en gran medida por el químico australiano Arthur Birch en la década de 1940. Esta reacción reductora implica la disolución de un metal reactivoen amoníaco líquido para manipular moléculas en forma de anillo que pueden usarse como base para fabricar muchos productos químicos, incluidas las moléculas de drogas.
El procedimiento requiere condensar amoníaco o compuestos similares, que son corrosivos, tóxicos y volátiles, y combinarlo con metales como el litio que son propensos a estallar en llamas si se exponen al aire. El proceso debe realizarse a temperaturas extremadamente frías,que requieren equipos caros y especialistas.
Un raro ejemplo del uso de una reducción de metal en disolución en la fabricación de productos farmacéuticos es un compuesto que se desarrolló previamente en Pfizer, un logro notable en la fabricación de productos químicos que requirió un esfuerzo hercúleo. El sistema para producir el compuesto a gran escala requiriósuficiente amoníaco gaseoso para llenar tres aviones Boeing 747 y debe llevarse a cabo a -35 grados Celsius. Las distancias a las que Pfizer fue para utilizar esta química son un testimonio del poder sintético de la reacción.
Para superar estas barreras importantes para el uso de dicha química, Baran y su equipo observaron los avances logrados en la fabricación de baterías al unir fuerzas con expertos en la Universidad de Utah, dirigida por Shelley Minteer, PhD, y la Universidad de Minnesota, dirigida porMatthew Neurock, PhD.
Las baterías de iones de litio Li-ion utilizadas en la electrónica moderna, como teléfonos móviles, computadoras portátiles y autos eléctricos, dependen de los avances en un componente interno llamado interfase de electrolitos sólidos SEI. La SEI es una capa protectora que se formaen uno de los electrodos dentro de un ion de litio cuando la batería se carga por primera vez y permite que la batería se recargue. La producción de las baterías seguras y eficientes que ahora se utilizan en la electrónica de consumo se basó en años de avances en la optimización de las condiciones químicas: la composición deelectrolitos, solventes y aditivos, que produjeron el SEI.
El equipo observó que la reacción que forma el SEI en las baterías es una reacción electroquímica similar a la reacción de Birch y sus parientes. Supusieron que podrían tomar prestado de lo que los fabricantes de baterías habían aprendido a seguir un método seguro y práctico para llevar a cabo una electroreducciónreacción.
"En muchos sentidos, estás viendo situaciones similares: reacciones poderosas que, cuando se aprovechan de manera efectiva, pueden proporcionar una utilidad tremenda", dice Solomon Reisberg, un estudiante graduado en el laboratorio de Baran y uno de los coautores en el ciencia artículo. "El equipo aprovechó el conocimiento adquirido con tanto esfuerzo sobre las condiciones que hacen que la electroquímica reductiva en las baterías sea práctica y utilizó ese conocimiento para repensar cuán profundamente podría usarse la química reductiva a gran escala".
El equipo de investigación de Scripps comenzó probando una gama de aditivos utilizados para evitar la sobrecarga en las baterías de iones de litio y descubrió que una combinación de dos sustancias llamadas dimetilurea y TPPA, hizo posible la reacción de Birch a temperatura ambiente.
Al probar varios otros materiales utilizados en las baterías, el equipo de Baran ideó una serie de condiciones que les permitieron no solo llevar a cabo la electrosíntesis reductora de forma segura sino también aumentar la versatilidad de la reacción para crear una variación más amplia de productos que no era posible conmétodos electroquímicos previos
Este método evitó la necesidad de disolver metales líquidos en grandes cantidades de amoníaco, y el costo y los riesgos asociados, y en su lugar utilizó un sistema de electrolitos similar al utilizado en las baterías. Además de la reacción de Birch, los investigadores pudieronaplicar la técnica a otros tipos de reacciones potentes que se usan a menudo en síntesis pero rara vez, si es que alguna vez, se usan en entornos industriales.
Los investigadores sintetizaron múltiples versiones de compuestos importantes de un solo anillo, así como moléculas donde se combinaron múltiples anillos para crear estructuras más complejas que forman los esqueletos de las drogas y otros productos químicos. En contraste con los dispositivos enormemente costosos que antes se requerían para llevar a cabo la reducciónQuímica en grandes cantidades, el equipo colaboró con Asymchem Life Science, un fabricante de productos químicos con sede en Tianjin, China, para construir un pequeño dispositivo modular capaz de generar grandes cantidades de productos por menos de $ 250.
"Esto demuestra que la síntesis a escala de kilogramo de bloques de construcción farmacéuticamente relevantes puede producirse adaptando lo que hemos aprendido sobre electroquímica a partir del rápido avance de la tecnología de baterías", dice Baran. "Anticipamos que esto será una bendición para la industria, permitiéndoles finalmente llevar estas reacciones a un uso práctico "
El equipo de investigación de Scripps colaboró en el proyecto con investigadores de Pfizer Global Research and Development, la Universidad de Utah, la Universidad de Minnesota y Asymchem Life Science en China.
Autores adicionales en el documento, Electroreducción orgánica sintética escalable y segura inspirada en la química de la batería de iones de litio, fueron 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 y Scott L. Anderson.
La investigación fue apoyada por una beca de la National Science Foundation para el Centro de Electroquímica Orgánica Sintética beca CCI Fase 1 # 1740656, Pfizer y Asymchem.
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Materiales proporcionado por Instituto de Investigación Scripps . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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