Avanços recentes na tecnologia de bateria, da engenharia de seus casos à eletroquímica que ocorre dentro deles, permitiu a rápida ascensão do Teslas, Leafs, Volts e outros carros elétricos.

Agora, cientistas da Scripps Research, inspirado na refinada eletroquímica dessas baterias, desenvolveram um sistema semelhante a uma bateria que lhes permite fazer avanços potenciais para a fabricação de medicamentos.

Seu novo método, relatado hoje em Ciência , evita riscos de segurança associados a um tipo de reação química conhecida como redução de metal dissolvido, que muitas vezes é usado para produzir compostos usados ​​na fabricação de medicamentos. Seu método ofereceria enormes vantagens sobre os métodos atuais de fabricação de produtos químicos, mas até agora, foi largamente posto de lado devido a considerações de segurança.

"Os mesmos tipos de baterias que usamos em nossos carros elétricos hoje eram muito perigosos para uso comercial há algumas décadas, mas agora eles estão incrivelmente seguros graças aos avanços na química e na engenharia, "diz Phil Baran, Ph.D., que detém a cadeira Darlene Shiley em Química na Scripps Research e é uma autora sênior do Ciência papel. "Ao aplicar alguns dos mesmos princípios que tornaram possível esta nova geração de baterias, desenvolvemos um método para conduzir com segurança reações químicas poderosamente redutivas que muito raramente foram usadas em grande escala porque - até agora - eram muito perigosas ou caras. "

"Isso pode ter um grande impacto não apenas na fabricação de produtos farmacêuticos, "Baran acrescenta, "mas também na mentalidade de químicos medicinais que tradicionalmente evitam tal química devido a questões de segurança. Este problema foi de fato trazido à nossa atenção pelo co-autor Michael Collins, um químico medicinal da Pfizer, precisamente por esse motivo. "

Uma das reações mais poderosas, e exemplos representativos dessa química profundamente redutora que os químicos usam para fazer novas moléculas é a redução de vidoeiro, que foi amplamente iniciado pelo químico australiano Arthur Birch na década de 1940. Esta reação redutora envolve a dissolução de um metal reativo em amônia líquida para manipular moléculas em forma de anel que podem ser usadas como base para a fabricação de muitos produtos químicos, incluindo moléculas de drogas.

O procedimento exige condensação de amônia ou compostos semelhantes, que são corrosivos, tóxico e volátil, e combinando-o com metais como o lítio, que são propensos a explodir em chamas se expostos ao ar. O processo deve ocorrer em temperaturas extremamente baixas, exigindo equipamentos caros, e especialistas.

Um raro exemplo do uso de uma redução de metal dissolvente na fabricação de produtos farmacêuticos é um candidato a medicamento para a doença de Parkinson (sumanirol) desenvolvido pela Pfizer, uma conquista notável na fabricação de produtos químicos que exigiu um esforço hercúleo. O sistema para produzir o composto em grande escala requer amônia gasosa suficiente para encher três aviões Boeing 747 e deve ser conduzido a -35 graus Celsius. Até que ponto a Pfizer utilizou essa química é um testemunho do seu poder sintético da reação, e o grande desejo de usá-lo na fabricação em grande escala em relação a qualquer método conhecido.

Para superar essas barreiras significativas ao uso dessa química, Baran e sua equipe analisaram os avanços feitos na fabricação de baterias unindo forças com especialistas da Universidade de Utah, liderado por Shelley Minteer, Ph.D., e a Universidade de Minnesota, liderado por Matthew Neurock, Ph.D.

As baterias de íon de lítio (Li-ion) usadas em eletrônicos modernos, como telefones celulares, laptops e carros elétricos dependem de avanços em um componente interno chamado de interface de eletrólito sólido (SEI). O SEI é uma camada protetora que se forma em um dos eletrodos dentro de um íon de lítio quando a bateria é carregada pela primeira vez e permite que a bateria seja recarregada. A produção de baterias seguras e eficientes agora usadas em produtos eletrônicos de consumo contou com anos de avanços na otimização das condições químicas - a composição dos eletrólitos, solventes e aditivos - que produziram o SEI.

A equipe observou que a reação que forma o SEI em baterias é uma reação eletroquímica semelhante à reação de Birch e seus parentes. Eles presumiram que poderiam pegar emprestado o que os fabricantes de baterias aprenderam para buscar um método seguro e prático de conduzir a reação de eletrorredução.

"De muitas maneiras, você está olhando para situações semelhantes - reações poderosas que, quando efetivamente aproveitado, pode fornecer uma enorme utilidade, "diz Solomon Reisberg, um estudante de pós-graduação no laboratório Baran e um dos co-autores do Ciência papel. "A equipe aproveitou o conhecimento adquirido a duras penas sobre as condições que tornam prática a eletroquímica redutiva em baterias e usou esse conhecimento para repensar o quão profundamente a química redutiva poderia ser usada em grande escala."

A equipe de pesquisa Scripps começou testando uma gama de aditivos usados ​​para evitar a sobrecarga em baterias de íon-lítio e descobriu que uma combinação de dois deles, substâncias chamadas dimetilureia, e TPPA, tornou possível a reação de Birch à temperatura ambiente.

Testando vários outros materiais usados ​​em baterias, A equipe de Baran propôs um conjunto de condições que lhes permitiu não apenas conduzir a eletrossíntese redutiva com segurança, mas também aumentar a versatilidade da reação para criar uma variação mais ampla de produtos que não era possível com métodos eletroquímicos anteriores.

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, se alguma vez, 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."