Moderne Alchemisten machen Chemie grüner

Max Giesinger - Wenn sie tanzt (Offizielles Video) (Juni 2019).

Anonim

Alte Alchemisten versuchten, Blei und andere Metalle in Gold und Platin zu verwandeln. Moderne Chemiker in Paul Chiriks Labor in Princeton transformieren Reaktionen, die von umweltschädlichen Edelmetallen abhängen, und finden billigere und grünere Alternativen, um Platin, Rhodium und andere Edelmetalle bei der Arzneimittelherstellung und anderen Reaktionen zu ersetzen.

Sie haben einen revolutionären Ansatz gefunden, bei dem Kobalt und Methanol zur Herstellung eines Epilepsiearzneimittels verwendet werden, für das zuvor Rhodium und Dichlormethan, ein toxisches Lösungsmittel, benötigt wurden. Ihre neue Reaktion arbeitet schneller und billiger, und sie hat wahrscheinlich eine viel geringere Auswirkung auf die Umwelt, sagte Chirik, der Edwards Sanford Professor für Chemie. "Dies unterstreicht ein wichtiges Prinzip in der grünen Chemie - dass die umweltfreundlichere Lösung auch die bevorzugte chemisch sein kann", sagte er. Die Forschung wurde am 25. Mai in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

"Pharmazeutische Entdeckung und Prozess beinhalten alle Arten von exotischen Elementen", sagte Chirik. "Wir haben dieses Programm vor vielleicht 10 Jahren gestartet und es war wirklich durch die Kosten motiviert. Metalle wie Rhodium und Platin sind wirklich teuer, aber als sich die Arbeit weiterentwickelt hat, haben wir erkannt, dass es weit mehr als nur Preisgestaltung gibt. … Es gibt große Umweltprobleme, wenn man daran denkt, Platin aus dem Boden zu graben. Normalerweise muss man etwa eine Meile tief gehen und 10 Tonnen Erde bewegen. Das hat einen massiven Kohlendioxid-Fußabdruck. "

Chirik und sein Forschungsteam schlossen sich mit Chemikern von Merck & Co., Inc. zusammen, um umweltfreundlichere Wege zu finden, um die für die moderne Arzneimittelchemie benötigten Materialien herzustellen. Die Zusammenarbeit wurde durch das Programm zur Förderung der wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit der Industrie (GOALI) der National Science Foundation ermöglicht.

Ein schwieriger Aspekt ist, dass viele Moleküle rechts- und linkshändige Formen haben, die unterschiedlich reagieren, mit manchmal gefährlichen Konsequenzen. Die Food and Drug Administration hat strenge Anforderungen, um sicherzustellen, dass Medikamente nur eine "Hand" gleichzeitig haben, bekannt als Single-Enantiomer-Medikamente.

"Chemiker sind herausgefordert, Methoden zu finden, um nur eine Hand von Drogenmolekülen zu synthetisieren, anstatt beide zu synthetisieren und dann zu trennen", sagte Chirik. "Metallkatalysatoren, die historisch auf Edelmetallen wie Rhodium basieren, wurden mit der Lösung dieser Herausforderung beauftragt. Unsere Arbeit zeigt, dass ein erdreicheres Metall, Kobalt, verwendet werden kann, um das Epilepsiemedikament Keppra als eine einzige Hand zu synthetisieren."

Vor fünf Jahren zeigten Forscher in Chiriks Labor, dass Cobalt organische Moleküle aus einzelnen Enantiomeren herstellen kann, aber nur mit relativ einfachen und nicht medizinisch aktiven Verbindungen - und mit toxischen Lösungsmitteln.

"Wir wurden inspiriert, unsere Demonstration des Prinzips in reale Beispiele zu bringen und zu zeigen, dass Kobalt Edelmetalle übertreffen und unter umweltverträglicheren Bedingungen arbeiten kann", sagte er. Sie fanden heraus, dass ihre neue kobaltbasierte Technik schneller und selektiver ist als der patentierte Rhodium-Ansatz.

"Unsere Arbeit zeigt einen seltenen Fall, in dem ein über die Erde reichendes Übergangsmetall die Leistung eines Edelmetalls bei der Synthese von Single-Enantiomer-Wirkstoffen übertreffen kann", sagte er. "Wir beginnen damit, zu einem Übergang zu kommen, da die Katalysatoren, die reichlich vorhanden sind, nicht nur die Edelmetalle ersetzen, sondern auch deutliche Vorteile bieten, sei es eine neue Chemie, die noch nie zuvor gesehen wurde, oder eine verbesserte Reaktionsfähigkeit oder eine geringere Umweltbelastung."

Nicht nur sind Grundmetalle billiger und viel umweltfreundlicher als seltene Metalle, sondern die neue Technik arbeitet in Methanol, das viel grüner ist als die chlorierten Lösungsmittel, die Rhodium benötigt.

"Die Herstellung von Arzneimittelmolekülen ist wegen ihrer Komplexität einer der verschwenderischsten Prozesse in der chemischen Industrie", sagte Chirik. "Der größte Teil des erzeugten Abfalls stammt aus dem Lösungsmittel, das für die Reaktion verwendet wird. Der patentierte Weg zu dem Medikament beruht auf Dichlormethan, einem der am wenigsten umweltfreundlichen organischen Lösungsmittel. Unsere Arbeit zeigt, dass die in der Erde vorkommenden Katalysatoren nicht nur in Methanol arbeiten. ein grünes Lösungsmittel, aber auch in diesem Medium optimal funktionieren.

"Dies ist ein transformativer Durchbruch für erdreiche Metallkatalysatoren, da diese in der Vergangenheit nicht so robust waren wie Edelmetalle. Unsere Arbeiten zeigen, dass sowohl das Metall als auch das Lösungsmittelmedium umweltverträglicher sein können."

Methanol ist ein gebräuchliches Lösungsmittel für Einhandchemikalien unter Verwendung von Edelmetallen, aber es ist das erste Mal, dass es sich in einem Kobaltsystem als nützlich erwiesen hat, bemerkte Max Friedfeld, der erste Autor auf dem Papier und ein ehemaliger Doktorand in Chiriks Labor.

Cobalts Affinität für grüne Lösungsmittel kam überraschend, sagte Chirik. "Seit einem Jahrzehnt benötigen Katalysatoren auf der Basis von Metallen wie Eisen und Cobalt sehr trockene und reine Bedingungen, was bedeutet, dass die Katalysatoren selbst sehr empfindlich sind. Durch den Einsatz von Methanol wird nicht nur das Umweltprofil der Reaktion verbessert, sondern auch die Katalysatoren sind viel einfacher zu handhaben und zu handhaben. Das bedeutet, dass Kobalt in vielen Anwendungen, die über die Hydrierung hinausgehen, in der Lage sein sollte, mit Edelmetallen zu konkurrieren oder sogar diese zu übertreffen. "

Die Zusammenarbeit mit Merck sei der Schlüssel zu diesen Entdeckungen, so die Forscher.

Chirik sagte: "Dies ist ein großartiges Beispiel für eine akademisch-industrielle Zusammenarbeit und hebt hervor, wie die fundamentale - wie fließen Elektronen unterschiedlich in Kobalt gegenüber Rhodium? - die angewandte Weise, eine wichtige Medizin auf eine nachhaltigere Weise zu machen, informieren kann. Ich denke, es ist sicher zu sagen, dass wir diesen Durchbruch nicht entdeckt hätten, wenn die beiden Gruppen bei Merck und Princeton selbständig gehandelt hätten. "

Laut Michael Shevlin, Associate Principal Scientist am Catalysis Laboratory in der Abteilung für Prozessforschung und -entwicklung bei Merck & Co., Inc., war der Schlüssel der Band, und ein Co-Autor des Papiers.

"Anstatt nur ein paar Experimente auszuprobieren, um eine Hypothese zu testen, können wir schnell große Versuchsreihen aufbauen, die um Größenordnungen mehr chemischen Raum abdecken", sagte Shevlin. "Die Synergie ist enorm, Wissenschaftler wie Max Friedfeld und (Mitautor und Doktorand) Aaron Zhong können Hunderte von Experimenten in unserem Labor durchführen und dann die interessantesten Ergebnisse zurück nach Princeton bringen, um im Detail zu studieren. Was sie dort dann lernen informiert die nächste Runde der Experimente hier. "

Chiriks Labor konzentriert sich auf "homogene Katalyse", die Bezeichnung für Reaktionen mit Materialien, die in industriellen Lösungsmitteln gelöst wurden.

"Homogene Katalyse ist normalerweise der Bereich dieser Edelmetalle, die am Ende des Periodensystems stehen", sagte Chirik. "Wegen ihrer Position im Periodensystem neigen sie dazu, durch sehr vorhersehbare Elektronenwechsel - zwei auf einmal - zu gehen, und deshalb können Sie aus diesen Elementen Schmuck machen, weil sie nicht oxidieren, mit denen sie nicht interagieren Wenn Sie also zu den elementaren Elementen der Erde gehen, normalerweise zu denen in der ersten Reihe des Periodensystems, ändert sich die elektronische Struktur - wie sich die Elektronen im Element bewegen - und Sie fangen an, die Einelektronenchemie zu erhalten deshalb sehen Sie für diese Elemente Dinge wie Rost.

Chiriks Ansatz schlägt eine radikale Verschiebung für das gesamte Feld vor, sagte Vy Dong, ein Chemieprofessor an der Universität von Kalifornien-Irvine, der nicht in die Forschung involviert war. "Traditionelle Chemie geschieht durch das, was sie Zwei-Elektronen-Oxidationen nennen, und Pauls geschieht durch Ein-Elektronen-Oxidation", sagte sie. "Das klingt nicht nach einem großen Unterschied, aber das ist ein dramatischer Unterschied für einen Chemiker. Das ist es, was uns interessiert - wie Dinge auf der Ebene von Elektronen und Atomen funktionieren. Wenn Sie über einen Weg sprechen, der über die Hälfte von die Elektronen, die du normalerweise erwartest, es ist eine große Sache. … Deshalb ist diese Arbeit wirklich aufregend. Du kannst dir vorstellen, sobald wir uns von dieser Form befreien, kannst du beginnen, sie auch auf andere Dinge anzuwenden. "

"Wir arbeiten in einem Bereich des Periodensystems, in dem die Menschen seit langer Zeit nicht mehr arbeiten, daher gibt es eine riesige Fülle neuer fundamentaler Chemie", sagte Chirik. "Indem wir lernen, diesen Elektronenfluss zu kontrollieren, steht uns die Welt offen."

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