Att designa en ny kemisk syntes kan vara en mödosam process med en hel del slit - att blanda kemikalier, mäta temperaturer, analysera resultaten, sedan börja om igen om det inte fungerar.

MIT-forskare har nu utvecklat ett automatiserat kemisk syntessystem som kan ta över många av de mer tråkiga aspekterna av kemiska experiment, frigöra kemister att lägga mer tid på de mer analytiska och kreativa aspekterna av sin forskning.

"Vårt mål var att skapa ett lättanvänt system som skulle göra det möjligt för forskare att komma med de bästa förutsättningarna för att göra sina molekyler av intresse - en allmän kemisk syntesplattform med så mycket flexibilitet som möjligt, " säger Timothy F. Jamison, chef för MIT:s institution för kemi och en av ledarna för forskargruppen.

Detta system kan minska den tid som krävs för att optimera en ny reaktion, från veckor eller månader ner till en enda dag, säger forskarna. De har patenterat tekniken och hoppas att den kommer att användas flitigt i både akademiska och industriella kemilabb.

"När vi tänkte göra det här, vi ville att det skulle vara något som var allmänt användbart i labbet och inte för dyrt, " säger Klavs F. Jensen, Warren K. Lewis professor i kemiteknik vid MIT, som var med och ledde forskargruppen. "Vi ville utveckla teknik som skulle göra det mycket lättare för kemister att utveckla nya reaktioner."

Tidigare MIT postdoc Anne-Catherine Bédard och före detta MIT forskningsassistent Andrea Adamo är huvudförfattarna till artikeln, som visas i onlineupplagan den 20 september av Vetenskap .

Går med strömmen

Det nya systemet använder sig av en typ av kemisk syntes som kallas kontinuerligt flöde. Med detta tillvägagångssätt, de kemiska reagensen strömmar genom en serie rör, och nya kemikalier kan tillsättas på olika ställen. Andra processer som separation kan också inträffa när kemikalierna strömmar genom systemet.

I kontrast, traditionell "batch kemi" kräver att varje steg utförs separat, och mänskligt ingripande krävs för att flytta reagenserna vidare till nästa steg.

Några år sedan, Jensen och Jamison utvecklade ett kontinuerligt flödessystem som snabbt kan producera läkemedel på begäran. De riktade sedan sin uppmärksamhet mot system i mindre skala som kunde användas i forskningslabb, i hopp om att eliminera mycket av de repetitiva manuella experiment som behövs för att utveckla en ny process för att syntetisera en viss molekyl.

För att uppnå det, teamet designade ett plug-and-play-system med flera olika moduler som kan kombineras för att utföra olika typer av syntes. Varje modul är ungefär lika stor som en stor mobiltelefon och kan anslutas till en port, precis som datorkomponenter kan anslutas via USB-portar. Vissa av modulerna utför specifika reaktioner, såsom de som katalyseras av ljus eller av en fast katalysator, medan andra separerar de önskade produkterna. I nuvarande system, fem av dessa komponenter kan anslutas samtidigt.

Personen som använder maskinen kommer med en plan för hur man syntetiserar en önskad molekyl och kopplar sedan in de nödvändiga modulerna. Användaren berättar sedan för maskinen vilka reaktionsförhållanden (temperatur, koncentration av reagens, flödeshastighet, etc.) till att börja med. För nästa dag eller så, maskinen använder ett allmänt optimeringsprogram för att utforska olika förhållanden och i slutändan för att avgöra vilka förhållanden som genererar det högsta utbytet av den önskade produkten.

Under tiden, istället för att manuellt blanda ihop kemikalier och sedan isolera och testa produkterna, forskaren kan gå iväg för att göra något annat.

"Medan optimeringarna utförs, användarna kan prata med sina kollegor om andra idéer, de skulle kunna arbeta med manuskript, eller så kan de analysera data från tidigare körningar. Med andra ord, gör de mer mänskliga aspekterna av forskning, " säger Jamison.

Snabb testning

I den nya studien, forskarna skapade cirka 50 olika organiska föreningar, och de tror att tekniken kan hjälpa forskare att snabbare designa och producera föreningar som kan testas som potentiella läkemedel eller andra användbara produkter. Detta system ska också göra det lättare för kemister att reproducera reaktioner som andra har utvecklat, utan att behöva optimera varje steg i syntesen.

"Om du har en maskin där du bara kopplar in komponenterna, och någon försöker göra samma syntes med en liknande maskin, de borde kunna få samma resultat, säger Jensen.

Forskarna arbetar nu med en ny version av tekniken som kan ta över ännu mer av designarbetet, inklusive att komma på ordning och typ av moduler som ska användas.