I recenti progressi nella tecnologia delle batterie, dall'ingegnerizzazione dei loro casi all'elettrochimica che avviene al loro interno, ha permesso la rapida ascesa di Tesla, foglie, Volt e altre auto elettriche.

Ora, scienziati presso Scripps Research, ispirato dalla raffinata elettrochimica di queste batterie, hanno sviluppato un sistema simile a una batteria che consente loro di fare potenziali progressi per la produzione di medicinali.

Il loro nuovo metodo, segnalato oggi in Scienza , evita i rischi per la sicurezza associati a un tipo di reazione chimica nota come riduzione della dissoluzione del metallo, che viene spesso utilizzato per produrre composti utilizzati nella produzione di medicinali. Il loro metodo offrirebbe enormi vantaggi rispetto agli attuali metodi di produzione chimica, ma fino ad ora, è stato in gran parte messo da parte a causa di considerazioni di sicurezza.

"Gli stessi tipi di batterie che usiamo oggi nelle nostre auto elettriche erano troppo pericolosi per l'uso commerciale qualche decennio fa, ma ora sono notevolmente al sicuro grazie ai progressi della chimica e dell'ingegneria, "dice Phil Baran, dottorato di ricerca, che detiene la Darlene Shiley Chair in Chemistry presso Scripps Research ed è un autore senior del Scienza carta. "Applicando alcuni degli stessi principi che hanno reso possibile questa nuova generazione di batterie, abbiamo sviluppato un metodo per condurre in modo sicuro reazioni chimiche fortemente riduttive che sono state usate molto raramente su larga scala perché, fino ad ora, erano troppo pericolose o costose".

"Questo potrebbe avere un impatto importante non solo sulla produzione di prodotti farmaceutici, "Baran aggiunge, "ma anche sulla mentalità dei chimici medicinali che tradizionalmente evitano tale chimica a causa di problemi di sicurezza. Questo problema è stato infatti portato alla nostra attenzione dal coautore Michael Collins, un chimico medicinale alla Pfizer, proprio per questo".

Una delle reazioni più potenti, ed esempi rappresentativi di questa chimica profondamente riducente che i chimici usano per creare nuove molecole è la riduzione della betulla, che è stato ampiamente sperimentato dal chimico australiano Arthur Birch negli anni '40. Questa reazione riduttiva comporta la dissoluzione di un metallo reattivo nell'ammoniaca liquida per manipolare molecole a forma di anello che possono essere utilizzate come base per realizzare molti prodotti chimici, comprese le molecole dei farmaci.

La procedura prevede la condensazione di ammoniaca o composti simili, che sono corrosivi, tossici e volatili, e combinandolo con metalli come il litio che sono inclini a prendere fuoco se esposti all'aria. Il processo deve avvenire a temperature estremamente fredde, che richiedono attrezzature costose, e specialisti.

Un raro esempio dell'uso di una riduzione del metallo dissolvente nella produzione farmaceutica è un candidato farmaco per il morbo di Parkinson (sumanirolo) sviluppato da Pfizer, un risultato notevole nella produzione chimica che ha richiesto uno sforzo erculeo. Il sistema per produrre il composto su larga scala richiede abbastanza ammoniaca gassosa per riempire tre aerei di linea Boeing 747 e deve essere condotto a -35 gradi Celsius. Le lunghezze fino a cui Pfizer è andato per utilizzare questa chimica sono una testimonianza del suo potere sintetico della reazione, e il grande desiderio di utilizzarlo nella produzione su larga scala rispetto a qualsiasi metodo noto.

Per superare questi ostacoli significativi all'uso di tale chimica, Baran e il suo team hanno esaminato i progressi compiuti nella produzione di batterie unendo le forze con esperti dell'Università dello Utah, guidato da Shelley Minteer, dottorato di ricerca, e l'Università del Minnesota, guidato da Matthew Neurock, dottorato di ricerca

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) utilizzate nell'elettronica moderna come i telefoni cellulari, i computer portatili e le auto elettriche si basano sui progressi di un componente interno chiamato interfase a elettrolita solido (SEI). Il SEI è uno strato protettivo che si forma su uno degli elettrodi all'interno di un Li-ion quando la batteria viene caricata per la prima volta e consente di ricaricare la batteria. La produzione delle batterie sicure ed efficienti ora utilizzate nell'elettronica di consumo si basava su anni di progressi nell'ottimizzazione delle condizioni chimiche:la composizione degli elettroliti, solventi e additivi, che hanno prodotto il SEI.

Il team ha notato che la reazione che forma il SEI nelle batterie è una reazione elettrochimica simile alla reazione Birch e ai suoi parenti. Hanno ipotizzato di poter prendere in prestito da ciò che i produttori di batterie avevano imparato per perseguire un metodo sicuro e pratico per condurre la reazione di elettroriduzione.

"In molti modi stai osservando situazioni simili:reazioni potenti che, quando efficacemente imbrigliato, può fornire una straordinaria utilità, "dice Solomon Reisberg, uno studente laureato nel laboratorio Baran e uno dei coautori del Scienza carta. "Il team ha sfruttato la conoscenza faticosamente conquistata sulle condizioni che rendono pratica l'elettrochimica riduttiva nelle batterie e ha utilizzato tale conoscenza per ripensare a quanto la chimica riduttiva potrebbe essere utilizzata su larga scala".

Il team di Scripps Research ha iniziato testando una gamma di additivi utilizzati per prevenire il sovraccarico nelle batterie agli ioni di litio e ha scoperto che una combinazione di due di essi, sostanze chiamate dimetilurea, e TPPA, ha reso possibile la reazione di Birch a temperatura ambiente.

Testare vari altri materiali utilizzati nelle batterie, Il team di Baran ha escogitato una serie di condizioni che hanno permesso loro non solo di condurre l'elettrosintesi riduttiva in modo sicuro, ma anche di aumentare la versatilità della reazione per creare una più ampia variazione di prodotti che non era possibile con i precedenti metodi elettrochimici.

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, Cina, 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."