Avances recientes en tecnología de baterías, desde la ingeniería de sus carcasas hasta la electroquímica que se desarrolla en su interior, ha permitido el rápido ascenso de Teslas, Hojas Voltios y otros coches eléctricos.

Ahora, científicos de Scripps Research, inspirado en la electroquímica refinada de estas baterías, han desarrollado un sistema similar a una batería que les permite realizar avances potenciales para la fabricación de medicamentos.

Su nuevo método, informó hoy en Ciencias , Evita los riesgos de seguridad asociados con un tipo de reacción química conocida como reducción de metal en disolución, que se utiliza a menudo 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.

"Los mismos tipos de baterías que usamos en nuestros autos eléctricos hoy en día eran demasiado peligrosos para uso comercial hace algunas décadas, pero ahora son notablemente seguros gracias a los avances en química e ingeniería, "dice Phil Baran, Doctor., quien ocupa la Cátedra Darlene Shiley de Química en Scripps Research y es autora principal de la Ciencias papel. "Al aplicar algunos de los mismos principios que hicieron posible esta nueva generación de baterías, hemos desarrollado un método para llevar a cabo de forma segura reacciones químicas poderosamente reductoras que rara vez se han utilizado a gran escala porque, hasta ahora, eran demasiado peligrosas o costosas ".

"Esto podría tener un impacto importante no solo en la fabricación de productos farmacéuticos, "Baran agrega, "sino también en la mentalidad de los químicos medicinales que tradicionalmente evitan dicha química debido a preocupaciones de seguridad. De hecho, este problema nos lo llamó la atención el coautor Michael Collins, un químico medicinal en Pfizer, precisamente por esta razón ".

Una de las reacciones más poderosas, y ejemplos representativos de esta química profundamente reductora que los químicos utilizan para fabricar nuevas moléculas es la reducción de Birch, que fue pionera en gran medida por el químico australiano Arthur Birch en la década de 1940. Esta reacción reductora implica disolver un metal reactivo en amoníaco líquido para manipular moléculas en forma de anillo que pueden usarse como base para fabricar muchos productos químicos. incluyendo moléculas de fármacos.

El procedimiento requiere la condensación de amoníaco o compuestos similares, que son corrosivos, tóxico y volátil, y combinándolo 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, requiriendo equipos costosos, y especialistas.

Un raro ejemplo del uso de una reducción de metal en disolución en la fabricación de productos farmacéuticos es un candidato a fármaco para la enfermedad de Parkinson (sumanirol) desarrollado por Pfizer, un logro notable en la fabricación de productos químicos que requirió un esfuerzo hercúleo. El sistema para producir el compuesto a gran escala requiere suficiente amoníaco gaseoso para llenar tres aviones Boeing 747 y debe realizarse a -35 grados Celsius. Los extremos a los que Pfizer llegó a utilizar esta química son un testimonio del poder sintético de la reacción, y el gran deseo de utilizarlo en la fabricación a gran escala sobre cualquier método conocido.

Para superar estas importantes barreras al uso de dicha química, Baran y su equipo analizaron los avances realizados en la fabricación de baterías uniendo fuerzas con expertos de la Universidad de Utah, dirigido por Shelley Minteer, Doctor., y la Universidad de Minnesota, dirigido por Matthew Neurock, Doctor.

Las baterías de iones de litio (Li-ion) utilizadas en la electrónica moderna, como los teléfonos móviles, las computadoras portátiles y los automóviles eléctricos se basan en los avances en un componente interno llamado interfase de electrolitos sólidos (SEI). El SEI es una capa protectora que se forma en uno de los electrodos dentro de un Li-ion cuando la batería se carga por primera vez y permite que 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 de electrolitos, solventes y aditivos, que produjeron el SEI.

El equipo notó 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 para seguir un método seguro y práctico de realizar la reacción de electrorreducción.

"De muchas maneras, estás viendo situaciones similares:reacciones poderosas que, cuando se aprovecha de manera eficaz, puede proporcionar una gran utilidad, "dice Solomon Reisberg, estudiante de posgrado en el laboratorio de Baran y uno de los coautores del Ciencias papel. "El equipo aprovechó el conocimiento adquirido con esfuerzo sobre las condiciones que hacen que la electroquímica reductiva en las baterías sea práctica y utilizó ese conocimiento para repensar cuán profundamente la química reductiva podría usarse 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 de ellos, sustancias llamadas dimetilurea, y TPPA, hizo posible la reacción de Birch a temperatura ambiente.

Prueba de varios otros materiales utilizados en baterías, 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, Porcelana, 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."