Les progrès récents de la technologie des batteries, de l'ingénierie de leurs boîtiers à l'électrochimie qui s'y déroule, a permis la montée en puissance rapide des Teslas, Feuilles, Volts et autres voitures électriques.

Maintenant, scientifiques de Scripps Research, inspiré par l'électrochimie raffinée de ces batteries, ont développé un système semblable à une batterie qui leur permet de faire des progrès potentiels pour la fabrication de médicaments.

Leur nouvelle méthode, rapporté aujourd'hui dans Science , évite les risques de sécurité associés à un type de réaction chimique connue sous le nom de dissolution de réduction des métaux, qui est souvent utilisé pour produire des composés utilisés dans la fabrication de médicaments. Leur méthode offrirait d'énormes avantages par rapport aux méthodes actuelles de fabrication chimique, mais jusqu'à maintenant, a été largement mis à l'écart pour des raisons de sécurité.

"Les mêmes types de batteries que nous utilisons dans nos voitures électriques aujourd'hui étaient beaucoup trop dangereux pour un usage commercial il y a quelques décennies, mais maintenant ils sont remarquablement sûrs grâce aux progrès de la chimie et de l'ingénierie, " dit Phil Baran, Doctorat., titulaire de la chaire Darlene Shiley en chimie à Scripps Research et auteur principal du Science papier. "En appliquant certains des mêmes principes qui ont rendu possible cette nouvelle génération de batteries, nous avons développé une méthode pour conduire en toute sécurité des réactions chimiques puissamment réductrices qui ont très rarement été utilisées à grande échelle parce que, jusqu'à présent, elles étaient trop dangereuses ou coûteuses."

« Cela pourrait avoir un impact majeur non seulement sur la fabrication de produits pharmaceutiques, " Baran ajoute, "mais aussi sur l'état d'esprit des chimistes médicinaux qui évitent traditionnellement une telle chimie pour des raisons de sécurité. Ce problème a en fait été porté à notre attention par le co-auteur Michael Collins, un chimiste médicinal chez Pfizer, précisément pour cette raison."

L'une des réactions les plus puissantes, et des exemples représentatifs de cette chimie profondément réductrice que les chimistes utilisent pour fabriquer de nouvelles molécules est la réduction de bouleau, qui a été largement mis au point par le chimiste australien Arthur Birch dans les années 1940. Cette réaction réductrice consiste à dissoudre un métal réactif dans de l'ammoniac liquide pour manipuler des molécules en forme d'anneau qui peuvent servir de base à la fabrication de nombreux produits chimiques, y compris les molécules médicamenteuses.

La procédure fait appel à la condensation d'ammoniac ou de composés similaires, qui sont corrosifs, toxique et volatile, et en le combinant avec des métaux tels que le lithium qui ont tendance à s'enflammer s'ils sont exposés à l'air. Le processus doit avoir lieu à des températures extrêmement froides, nécessitant un équipement coûteux, et spécialistes.

Un exemple rare de l'utilisation d'une réduction de métal en dissolution dans la fabrication pharmaceutique est un candidat médicament contre la maladie de Parkinson (sumanirole) développé par Pfizer, une réalisation remarquable dans la fabrication de produits chimiques qui a nécessité un effort herculéen. Le système pour produire le composé à grande échelle nécessite suffisamment d'ammoniac gazeux pour remplir trois avions de ligne Boeing 747 et doit être conduit à -35 degrés Celsius. Les efforts déployés par Pfizer pour utiliser cette chimie témoignent du pouvoir synthétique de la réaction, et le grand désir de l'utiliser dans la fabrication à grande échelle sur toute méthode connue.

Pour surmonter ces obstacles importants à l'utilisation d'une telle chimie, Baran et son équipe se sont penchés sur les progrès réalisés dans la fabrication de batteries en s'associant à des experts de l'Université de l'Utah, dirigé par Shelley Minteer, Doctorat., et l'Université du Minnesota, dirigé par Matthew Nerock, doctorat

Les batteries lithium-ion (Li-ion) utilisées dans l'électronique moderne comme les téléphones portables, les ordinateurs portables et les voitures électriques reposent sur les progrès d'un composant interne appelé l'interphase à électrolyte solide (SEI). Le SEI est une couche protectrice qui se forme sur l'une des électrodes à l'intérieur d'un Li-ion lorsque la batterie est chargée pour la première fois et permet à la batterie d'être rechargée. La production des batteries sûres et efficaces maintenant utilisées dans l'électronique grand public s'est appuyée sur des années d'avancées dans l'optimisation des conditions chimiques - la composition des électrolytes, solvants et additifs qui ont produit le SEI.

L'équipe a noté que la réaction qui forme le SEI dans les batteries est une réaction électrochimique semblable à la réaction de Birch et ses proches. Ils ont supposé qu'ils pouvaient emprunter à ce que les fabricants de batteries avaient appris pour rechercher une méthode sûre et pratique pour conduire une réaction d'électroréduction.

"À bien des égards, vous observez des situations similaires - des réactions puissantes qui, lorsqu'il est efficacement exploité, peut fournir une utilité énorme, " dit Salomon Reisberg, un étudiant diplômé du laboratoire Baran et l'un des co-auteurs sur le Science papier. "L'équipe a tiré parti des connaissances durement acquises sur les conditions qui rendent pratique l'électrochimie réductrice dans les batteries et a utilisé ces connaissances pour repenser à quel point la chimie réductrice pourrait être utilisée à grande échelle."

L'équipe Scripps Research a commencé par tester une gamme d'additifs utilisés pour empêcher la surcharge dans les batteries Li-ion et a découvert qu'une combinaison de deux d'entre eux, substances appelées diméthylurée, et TPPA, rendu possible la réaction de Birch à température ambiante.

Tester divers autres matériaux utilisés dans les batteries, L'équipe de Baran a proposé un ensemble de conditions qui leur ont permis non seulement d'effectuer une électrosynthèse réductrice en toute sécurité, mais également d'augmenter la polyvalence de la réaction pour créer une plus grande variation de produits qui n'était pas possible avec les méthodes électrochimiques précédentes.

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, si jamais, 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, Chine, 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."