Cirka 70 procent av läkemedlen tillverkas med palladiumdrivna katalytiska processer som antingen är snabba eller effektiva - men inte båda. Forskare vid North Carolina State University har nu utvecklat en grön kemimetod som kombinerar aspekter av båda processerna för att förbättra effektiviteten till en minimal kostnad för bearbetningstid.

Specifikt, dessa palladiumdrivna katalytiska reaktioner används för att koppla samman kol i små, organiska molekyler för att skapa större molekyler för användning i läkemedel och andra applikationer. Traditionellt, det har funnits två sätt att göra detta.

I homogena processer, palladium löses i lösning, tillåter maximal exponering för de organiska molekylerna, eller reagens. Detta gör processen mycket snabb, men resulterar i att mycket palladium antingen går till spillo (eftersom det slängs ut efter att målmolekyler skördats) eller att det återvinns till hög kostnad (eftersom återvinningsprocessen är dyr).

I heterogena processer, palladium fixeras på ett hårt substrat i en packbäddsreaktor, och reagensen körs genom reaktorn. Detta tar mycket längre tid, men lite eller inget palladium går till spillo.

"Vi har skapat och testat en ny process som kallas pseudohomogen katalys, som kombinerar det bästa av två världar:det är nästan lika snabbt som homogen katalys, medan det bevarar praktiskt taget allt palladium, säger Milad Abolhasani, en biträdande professor i kemiteknik vid NC State och motsvarande författare till en artikel om arbetet.

Den nya tekniken bygger på roman, elastiska silikonkemibaserade mikrosfärer utvecklade av forskargruppen med hjälp av mikrofluidik.

"Vi använde en mikrofluidisk strategi för att göra elastomera mikrosfärer med en smal storleksfördelning för att göra dem "laddningsbara" i en rörformig reaktor utan att täppas igen, " Abolhasani säger. "Det var viktigt, eftersom konventionella polymerisationstekniker i batchskala resulterar i elastomera mikrosfärer med en stor storleksfördelning som skulle täppa till reaktorn när den laddas." Video av processen för att skapa mikrosfärerna finns tillgänglig på https://youtu.be/YwkFvMhtIdk.

Varje silikonmikrosfär är laddad med palladium. Reagenser passerar sedan genom mikrosfären och interagerar med palladium. De resulterande farmaceutiska målmolekylerna lämnar mikrosfären igen - men palladium förblir fångat i mikrosfären.

"De flexibla sfärerna tillåter palladiumkatalysatorn att 'sätta sig' inuti mikroreaktormiljön, säger Jan Genzer, S. Frank och Doris Culberson framstående professor i kemi- och biomolekylär teknik vid NC State, och en medförfattare till tidningen. "Silikonsfärens flexibilitet gör att palladiumkatalysatorn kan anta väldigt många konfigurationer under reaktionen - vilket är fallet i homogena processer. Palladiumkatalysatorn behålls för vidare användning - vilket är fallet i heterogena processer."

"I proof-of-concept-testning, vår process var mycket snabbare än någon heterogen teknik, men fortfarande marginellt långsammare än konventionella homogena processer, " Abolhasani säger. "Vi arbetar för närvarande med att optimera egenskaperna hos våra elastiska mikrosfärer för att förbättra reaktionsutbytet."

En annan fördel med den pseudohomogena tekniken är att den använder sig av ogiftiga lösningsmedel, dvs. vatten och etanol. Konventionella homogena tekniker använder typiskt organiska lösningsmedel, såsom toluen, som inte är miljövänliga.

"Det är viktigt att visa att gröna kemimetoder kan användas för att göra en process som är, i alla, effektivare än befintliga tekniker, " Abolhasani säger. "Du behöver inte byta säkerhet för kostnadseffektivitet."