Automatiserad syntes
Automatiserad syntes eller automatisk syntes är en uppsättning tekniker som använder robotutrustning för att utföra kemisk syntes på ett automatiserat sätt. Automatisering av processer möjliggör högre effektivitet och produktkvalitet även om automationsteknik kan vara kostnadsöverkomlig och det finns farhågor om överberoende och jobbförskjutning. Kemiska processer automatiserades under 1800- och 1900-talen, med stora utvecklingar som hände under de föregående trettio åren, allt eftersom tekniken gick framåt. Uppgifter som utförs kan inkludera: syntes under olika förhållanden, provberedning , rening och extraktioner . Tillämpningar av automatiserad syntes finns på forsknings- och industriell skala inom en mängd olika områden inklusive polymerer , personlig vård och radiosyntes .
Automatisera syntes
En automatiserad syntes påminner mycket om att utföra en manuell syntes. Den övervakande kemisten bestämmer sig för en målmolekyl och formulerar sedan experimentplanen, som är en serie steg i följd. Sedan samlar de in den nödvändiga utrustningen och genomför planen. Den automatiserade syntesen följer samma väg, förutom att datorn utarbetar och utför experimentplanen. Men det krävs vanligtvis fortfarande mänsklig revision för att säkerställa att den automatiserade rutten är praktisk och att det inte finns några implicita steg eller villkor som saknas i det föreslagna förfarandet.
Fördelar med automatiserad syntes
Automatisering av syntes har tre huvudsakliga fördelar: ökad effektivitet, kvalitet (utbyte och renhet) och säkerhet, allt till följd av minskat mänskligt engagemang. Eftersom maskiner arbetar snabbare än människor och inte är utsatta för mänskliga fel, ökar genomströmningen och reproducerbarheten . Dessutom, eftersom människor tillbringar mindre tid i labbet minskar exponeringen för farliga kemikalier avsevärt. Detta ger kemister extra tid för teori och samarbetsdiskussioner.
Ytterligare fördelar inkluderar: multitasking, att utföra uppgifter utanför räckvidden av mänsklig precision eller förmåga, uttömmande analys, etc.
Bekymmer med automatiserad syntes
Det primära problemet med automatiserad syntes är arbetsförflyttning. Andra problem är höga initiala investerings- och underhållskostnader, integritetsproblem och ett överdrivet beroende av teknik. Det finns också etiska problem när det gäller användningen av artificiell intelligens och robotik. Se Etik för artificiell intelligens , Robotetik , Maskinetik .
Historia
Delar av procedurer och tekniker automatiserades under 1800- och 1900-talen med enkla kretskort. Den första helautomatiska syntesen var en peptidsyntes av Robert Merrifield och John Stewart 1966. Tillämpningar av artificiell intelligens på organisk syntes startade också på 1960-talet med Dendral Project , som hjälpte organiska kemister att karakterisera och identifiera molekyler med hjälp av masspektrometri. Sann datorstödd mjukvara för organisk syntes (CAOS) som LHASA blev genomförbar när artificiell intelligens och maskininlärning utvecklades på 1980-talet. Viktiga utvecklingar inom automatiserade radiosyntetiska moduler gjordes också på 1980-talet.
I slutet av 1990-talet var automatiseringens största utmaning att övervinna fassepareringsproblem och öka systemintegrationen . Vid denna tidpunkt fanns det bara specifika system som tillhörde en av fyra konstruktioner: en flödesreaktor, en satsreaktor sammankopplad med flödesledningar, en robot, två robotar: en för syntes och en för analys, och speciella större system som var en kombination av det förutnämnda.
På 2000- och 2010-talen sågs en betydande utveckling inom industriell automatisering av molekyler samt uppkomsten av allmänna syntessystem som kunde syntetisera en mängd olika molekyler på begäran, vars funktion Melanie Trobe och Martin D. Burke jämfört med en 3D - skrivare .
Under 2020-talet kan utvecklingen av automatiserad syntes ses gå in i en ny gräns: avlägsna såväl som ytterligare förfining av gamla system och tillämpningar av artificiell intelligens.
Ansökningar
Automatiserade syntessystem hittar nya tillämpningar med en utveckling av nya robotplattformar. Möjliga tillämpningar inkluderar: okontrollerad syntes, tidsberoende syntes, radiosyntes , syntes under krävande förhållanden (låga temperaturer, närvaro av specifik atmosfär som CO , H 2 , N 2 , högt tryck eller under vakuum ) eller närhelst samma eller liknande arbetsflöde behöver appliceras flera gånger med syftet att: optimera reaktioner, syntetisera många derivat i liten skala, utföra reaktioner av iterativa homologeringar eller radiosyntes .
Automatiserade syntesarbetsflöden behövs både inom akademisk forskning och ett brett spektrum av industriella FoU- miljöer ( läkemedel , jordbrukskemikalier , fin- och specialkemikalier, forskning om förnybara energikällor, katalysatorer , polymerer , keramik och slipmedel , porösa material , nanomaterial , smörjmedel , smörjmedel , & beläggningar , hemtjänst, personlig vård , kost , kriminalteknik ).
Polymerer
Parallell syntes
Sammantaget har automatiserad syntes förbättrat effektiviteten för parallellsyntes och kombinatoriska metoder för polymerer. Dessa tekniker syftar till att designa nya material, förutom att studera sambanden mellan deras struktur och egenskaper. Men även om screening för polymerer möjliggör denna undersökning, blir det allt mer krävande för forskare att skapa biblioteken för dessa syntetiska kompositioner. Dessutom kräver förberedelser ett stort antal repetitiva reaktioner som ska slutföras, vilket leder till en enorm börda av planering och arbete. Med hjälp av automatiserad syntes kan denna process förfinas, vilket ökar reaktionens effektivitet och tar bort effekterna av mänskliga fel.
Polykondensation
Polykondensering involverar bildandet av polymerer genom kondensationsreaktioner mellan olika arter, vilket skapar kondensationspolymerer . Med automatiserad syntes tillverkade General Electric ett tillvägagångssätt för smältpolymerisationer av BPA och difenylkarbonat (DPC), med natriumhydroxid (NaOH) som katalysator. När resultaten väl analyserats visades det att genom att använda en automatiserad polymerisationsmetod blev effekten av att variera katalysatormängden mer distinkt och förbättrade reproducerbarheten för reaktionen. Dessutom visade det en ökning av homogeniteten hos polymererna i mikroreaktorerna .
Friradikalpolymerisation
Förutom polykondensering har automatiserad syntes tillämpats på de olika metoderna för radikalpolymerisation, såsom ringöppning och polyolefiner. Detta inkluderar friradikalpolymerisation, såsom utveckling av en automatiserad process för att syntetisera och utvärdera molekylärt präglade polymerer (MIPs). Genom termisk initiering kunde ett sextiotal polymerer framställas parallellt och utvärderas genom deras bindningskonstanter till de präglade analyterna. Dessutom lägger Long et al. till ett annat tillvägagångssätt till repertoaren. demonstrerade förmågan hos robotsystem och deras användning med att variera monomeren för syntes av poly(styren-sam-metylmetakrylat) och poly(styren-sam-butylmetakrylat). Efter automatisk utfällning karakteriserades produkterna med standardanalys och sattes till polymerbiblioteket. Ett annat exempel inkluderar metoden som beskrivs av Symyx Technologies Inc. med tillämpning av en bläckstråleskrivare, som levererar olika förhållanden av styren och akrylnitril, som användes som terminator.
Även om dessa är exempel på suspensionspolymerisation , rapporterades det första exemplet av automatiserad syntes för parallell emulsion av Voorn et al. med fem parallella reaktorer innehållande väldefinierade system av styren och vinylacetat. Efter att ha optimerat virvelhastigheten jämfördes resultaten mellan metoderna för automatiserad syntes och klassisk omrörning för emulsionspolymerisation, vilket fann att produkterna var jämförbara.
Kontrollerad radikalpolymerisation
Även om den är placerad mot friradikalpolymerisation kan tillämpningen av automatiserad syntes också användas för kontrollerad radikalpolymerisation. Dessa metoder har använts inom reversibel additionsfragmenteringsöverföring (RAFT), atomöverföringsradikal (ATRP) och nitroxidmedierade polymerisationer , vilket visar robotarnas förmåga att förbättra effektiviteten och minska svårigheterna med att utföra reaktioner. Till exempel, med automatisk dispensering av reagens kunde Symyx Technologies Inc. polymerisera styren och butylakrylat genom ATRP. Dessutom stöddes denna funktion av Zhang et al. inom sin forskning, fann att reproducerbarhet och jämförbarhet var likvärdiga med klassisk ATRP.
Ringöppningspolymerisation
Med ringöppningspolymerisation har automatiserad syntes använts för snabb screening och optimering, inklusive med katalysator + initiatorsystem och deras polymerisationsförhållanden. Till exempel, Hoogenboom et al. bestämde den optimala temperaturen för polymerisationen av 2-etyl-2-oxazolin i dimetylacetamid (DMAc), vilket möjliggör individuell uppvärmning av de parallella reaktorerna, vilket förkortade den tid som behövs för beredning och analys.
Polyolefiner
För att hjälpa till med katalysatorforskningen för polyolefiner använde Symyx Technologies Inc. automatiserad syntes för att skapa ett bibliotek av palladium- och nickelkatalysatorer , som screenades för etenpolymerisation . Denna process fann att de största polyetenpolymererna skapades av komplexen med det högsta steriska hindret för orto-positionerna av arylringarna, medan elektroniska faktorer inte påverkade utbyte eller molekylvikt. Dessutom använde Tuchbreiter och Mülhaupt automatiserad syntes för att demonstrera förbättringarna av minireaktorer för polymerisation av olefiner, med kvalitetsförbättring jämfört med att använda enkla arrayer.
Supramolekylär polymerisation
Inom området supramolekylär polymerisation , Schmatloch et al. använde automatiserad syntes för att skapa supramolekylära koordinationspolymerer i huvudkedjan, som reagerar bis(2,2′:6′,2″-terpyridin)-funktionaliserad poly(etylenoxid) med olika metall(II)acetater. Av detta avslöjades att klassiska laboratoriemetoder kunde överföras till automatisk syntes, vilket optimerar processerna för att öka effektiviteten och hjälpa till med reproducerbarhet.
Senaste utvecklingen
Under åren har flera synthesizers utvecklats för att hjälpa till med automatiserad syntes, inklusive Chemspeed Accelerator (SLT106, SLT II, ASW2000, SwingSLT, Autoplant A100 och SLT100), Symyx-systemet och Freeslate ScPPR. Nyligen har forskare undersökt optimeringen av dessa metoder för kontrollerad/levande radikalpolymerisation (CLRP), som står inför problem med syreintolerans. Denna forskning har lett till utvecklingen av syretolerant CLRP, inklusive med användning av enzymavgasning av RAFT (Enz-RAFT), atomöverföringsradikal (ATRP) som har lufttolerans och fotoinducerad elektron/energiöverföring-RAFT ( PET-RAFT) polymerisation. Genom användningen av vätskehanteringsrobotar har Tamasi et al. demonstrerade användningen av automatiserad syntes med att utföra flerstegsprocedurer, vilket gjorde det möjligt för reaktionerna att undersöka mer utarbetade scheman, såsom med skala och komplexitet.
Personlig vårdindustri
Flera företag inom branschen för personlig hygien har tagit steg mot att använda automatiserad syntes i utvecklingen av sina produkter.
Activotec är ett företag som erbjuder produkter och tjänster för kemisk syntes. En av deras tjänster är anpassad syntes av kosmetikapeptider. Activotec erbjuder en peptidsyntes som har "automatiserad reaktoruppvärmning och UV-övervakning." Den automatiserade reaktoruppvärmningen innebär att reaktionstemperaturen snabbt kan ändras med minimal generering av biprodukter, samtidigt som temperaturen hålls inom 1 °C av intresse. Automatisk återkoppling i UV-övervakning möjliggör omedelbara förändringar i "avskyddnings- och kopplingsprotokollen."
En tillämpning av automatiserad syntes i produkter för personlig vård har beskrivits av Dr. Samiul Amin, docent vid Manhattan College. Dr. Amin var värd för ett webbseminarium som förklarade hur Chemspeed FLEX FORMAX-teknologi har använts i "formuleringsdesign och prestandaoptimering."
Robotplattformar
Automatiserade syntessystem är laboratorierobotar som kombinerar mjukvara och hårdvara . Eftersom syntes är en linjär kombination av steg kan de individuella stegen modulariseras till hårdvara som utför det specifika steget (blandning, uppvärmning eller kylning, produktanalys, etc.). Sådan hårdvara inkluderar robotarmar som använder dispensrar och gripare för att överföra material och shakers som justerar omrörningshastigheten och kartesiska koordinatsystemrobotar som arbetar på en XYZ-axel och kan flytta föremål och utföra syntes inom angivna gränser.
Reaktionsförhållandena (atmosfär, temperatur, tryck) kontrolleras med hjälp av kringutrustning som: gasflaskor , vakuumpump , återflödessystem och kryostat . Modulära plattformar använder en mängd olika verktyg för att utföra alla operationer som behövs i syntesen. Det finns många kommersiella modulära hårdvarulösningar tillgängliga för att utföra syntes. Nya program finns tillgängliga som kan kompilera en automatiserad syntesprocedur i körbar kod direkt från befintlig litteratur. Det finns också program som kan retrosyntetiskt generera en procedur på nivån för en doktorands kompetens.
2020 tillkännagav IBM RoboRXN, ett autonomt system som unikt möjliggör fjärrsyntes av en molekyl. Systemet kan självständigt skapa och utföra en syntetisk väg för en förening med endast den avsedda kemiska strukturen. Systemet är fortfarande under utveckling och ännu inte tillgängligt för köp, även om IBM accepterar medarbetare för att testa både dess hårdvara, RoboRXN, och mjukvara, IBM RXN.
Bristol automatiserad syntesanläggning
En automatiserad syntesanläggning är Bristol Automated Synthesis Facility baserad vid University of Bristol ( UK ) som drivs av Varinder Aggarwal . Anläggningen använder Chemspeed Technologies SWING-plattform tillgänglig för automatiserad parallell kemisk syntes, med funktioner inklusive inert atmosfär , dispensering av vätskor och fasta ämnen, temperaturkontroll från -70 °C till 120 °C, högt tryck (upp till 80 bar) och integrerad fastfas extraktion med dedikerad LC-MS off-line analys.
externa länkar
- Bristol Automated Synthesis Facility baserad vid University of Bristol (UK)
- Chemspeed Technologies AG
- Synple Chem AG
- IBM RXN
