De senaste framstegen inom batteriteknik, från konstruktionen av deras fall till elektrokemin som äger rum inuti dem, har möjliggjort Teslas snabba uppgång, blad, Volt och andra elbilar.

Nu, forskare vid Scripps Research, inspirerad av den raffinerade elektrokemin hos dessa batterier, har utvecklat ett batteriliknande system som gör att de kan göra potentiella framsteg för tillverkning av läkemedel.

Deras nya metod, rapporterade idag i Vetenskap , undviker säkerhetsrisker förknippade med en typ av kemisk reaktion som kallas upplösning av metallreduktion, som ofta används för att framställa föreningar som används vid tillverkning av läkemedel. Deras metod skulle erbjuda enorma fördelar jämfört med nuvarande metoder för kemisk tillverkning, men tills nu, har till stor del ställts på sidan av säkerhetsskäl.

"Samma typer av batterier som vi använder i våra elbilar idag var alldeles för farliga för kommersiellt bruk för några decennier sedan, men nu är de anmärkningsvärt säkra tack vare framsteg inom kemi och teknik, " säger Phil Baran, Ph.D., som innehar Darlene Shiley-stolen i kemi vid Scripps Research och är en senior författare av Vetenskap papper. "Genom att tillämpa några av samma principer som gjorde den här nya generationen batterier möjlig, vi har utvecklat en metod för att på ett säkert sätt genomföra kraftfullt reduktiva kemiska reaktioner som mycket sällan har använts i stor skala eftersom de – fram till nu – var för farliga eller kostsamma."

"Detta kan ha en stor inverkan på inte bara tillverkningen av läkemedel, Baran tillägger, "men också på tankesättet hos medicinska kemister som traditionellt undviker sådan kemi på grund av säkerhetsproblem. Detta problem uppmärksammades faktiskt av medförfattaren Michael Collins, en medicinsk kemist på Pfizer, av just denna anledning."

En av de mest kraftfulla reaktionerna, och representativa exempel på denna djupt reducerande kemi som kemister använder för att göra nya molekyler är Björkreduktionen, som till stor del var banbrytande av den australiensiska kemisten Arthur Birch på 1940-talet. Denna reduktiva reaktion involverar upplösning av en reaktiv metall i flytande ammoniak för att manipulera ringformade molekyler som kan användas som grund för att tillverka många kemiska produkter, inklusive läkemedelsmolekyler.

Förfarandet kräver kondensering av ammoniak eller liknande föreningar, som är frätande, giftig och flyktig, och kombinera det med metaller som litium som är benägna att brinna i lågor om de utsätts för luft. Processen måste ske vid extremt kalla temperaturer, kräver dyr utrustning, och specialister.

Ett sällsynt exempel på användningen av en upplösande metallreduktion vid läkemedelstillverkning är en läkemedelskandidat för Parkinsons sjukdom (sumanirol) utvecklad av Pfizer, en anmärkningsvärd prestation inom kemisk tillverkning som krävde en stor ansträngning. Systemet för att producera föreningen i stor skala kräver tillräckligt med gasformig ammoniak för att fylla tre Boeing 747 flygplan och måste utföras vid -35 grader Celsius. Längden som Pfizer gick till för att använda denna kemi är ett vittnesbörd om reaktionens syntetiska kraft, och den stora önskan att använda den i storskalig tillverkning över alla kända metoder.

För att övervinna dessa betydande hinder för att använda sådan kemi, Baran och hans team tittade på de framsteg som gjorts inom batteritillverkning genom att gå samman med experter vid University of Utah, ledd av Shelley Minteer, Ph.D., och University of Minnesota, ledd av Matthew Neurock, Ph.D.

Litiumjonbatterier (Li-ion) som används i modern elektronik som mobiltelefoner, bärbara datorer och elbilar är beroende av framsteg i en intern komponent som kallas solid electrolyte interphase (SEI). SEI är ett skyddande lager som bildas på en av elektroderna inuti en Li-ion när batteriet laddas första gången och gör att batteriet kan laddas om. Att producera de säkra och effektiva batterierna som nu används i hemelektronik förlitade sig på år av framsteg för att optimera de kemiska förhållandena - elektrolyternas sammansättning, lösningsmedel och tillsatser – som producerade SEI.

Teamet noterade att reaktionen som bildar SEI i batterier är en elektrokemisk reaktion som liknar Birch-reaktionen och dess släktingar. De förmodade att de kunde låna från vad batteritillverkare hade lärt sig för att följa en säker och praktisk metod för att utföra elektroreduktionsreaktioner.

"På många sätt ser du på liknande situationer - kraftfulla reaktioner som när det utnyttjas effektivt, kan ge enorm nytta, säger Solomon Reisberg, en doktorand i Baran-labbet och en av medförfattarna på Vetenskap papper. "Teamet utnyttjade den svårvunna kunskapen om de förhållanden som gör reduktiv elektrokemi i batterier praktisk och använde den kunskapen för att ompröva hur djupt reduktiv kemi kan användas i stor skala."

Scripps Research-teamet började med att testa en rad tillsatser som används för att förhindra överladdning i Li-ion-batterier och fann att en kombination av två dem, ämnen som kallas dimetylurea, och TPPA, gjorde björkreaktionen möjlig vid rumstemperatur.

Testa olika andra material som används i batterier, 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, Kina, 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."