Wyobraź sobie, że każdy lek, który zażywasz, mógłby być opracowywany szybciej, taniej i w sposób przyjazny dla środowiska. Brzmi jak science fiction? Niekoniecznie. Dzięki nowoczesnym technologiom możliwe staje się obserwowanie reakcji chemicznych „na żywo”, co może zrewolucjonizować sposób, w jaki powstają farmaceutyki.
Tradycyjna synteza leków przypomina gotowanie bez przepisu – chemicy łączą różne substancje i parametry reakcji, szukając optymalnych warunków metodą prób i błędów. Proces ten może trwać miesiącami, a nawet latami, generując przy tym znaczne ilości odpadów chemicznych. A co, jeśli moglibyśmy śledzić przebieg reakcji w czasie rzeczywistym, bez konieczności jej przerywania, i jednocześnie optymalizować jej szybkość oraz wydajność za pomocą czynników takich jak mikrofale, ultradźwięki czy promieniowanie UV?
Reakcje chemiczne na żywo – przyszłość produkcji leków?
Takie rozwiązania testuje Alina Cherniienko, doktorantka Szkoły Doktorskiej Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, w Katedrze Chemii Organicznej. Jej badania prowadzone są pod kierunkiem dr hab. Anny Pawełczyk, prof. UMP oraz prof. Lucjusza Zaprutko, we współpracy z prof. Romanem Lesykiem z Narodowego Uniwersytetu Medycznego we Lwowie. Celem projektu jest opracowanie nowoczesnych, bardziej zrównoważonych metod syntezy związków azotowych – kluczowych składników około 75 proc. wszystkich stosowanych leków.
Jak „zajrzeć do wnętrza” reakcji chemicznej?
Innowacyjność podejścia polega na połączeniu analizy spektroskopowej w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem alternatywnych źródeł energii, które przyspieszają reakcje chemiczne. Główne narzędzia stosowane w badaniach to:
- Spektrometr FTIR, który pozwala śledzić zmiany chemiczne w probówce w każdej sekundzie bez przerywania procesu;
- Mikrofale, zapewniające równomierne i szybkie dostarczanie energii do układu reakcyjnego;
- Ultradźwięki, generujące drgania mechaniczne ułatwiające przebieg reakcji;
- Promieniowanie UV, wspomagające tworzenie wiązań chemicznych poprzez aktywację cząsteczek.
Dzięki tym technologiom możliwe jest bieżące monitorowanie postępu reakcji oraz dynamiczne dostosowywanie warunków – co znacznie zwiększa efektywność i pozwala unikać nieudanych prób.
Postępy i odkrycia
W ramach dotychczasowych badań zespół przeprowadził optymalizację warunków syntezy pochodnych chinoksaliny, stosując zarówno klasyczne, jak i mikrofalowe metody reakcji, w różnych układach rozpuszczalnik–katalizator. Na podstawie wyników przygotowano oryginalny artykuł naukowy, który aktualnie znajduje się w procesie recenzji.
Rozpoczęto również prace nad opracowaniem nowych szlaków syntezy dla trzech grup związków chemicznych o istotnym znaczeniu farmaceutycznym:
- 1,5-benzodiazepiny – wykorzystywane w lekach przeciwlękowych i nasennych (np. diazepam);
- Tri- i tetrafenyloimidazole – mające zastosowanie m.in. w terapii grzybic i nowotworów;
Pochodne benzimidazolu – obecne w lekach przeciwwirusowych, przeciwpasożytniczych i inhibitorach pompy protonowej.
Kolejne etapy badań
W najbliższym czasie planowane jest rozszerzenie eksperymentów o dodatkowe źródła energii – promieniowanie UV i ultradźwięki – w układach, które już wykazały wysoką efektywność. Celem jest jeszcze większa poprawa wydajności syntez oraz dalsza minimalizacja zużycia rozpuszczalników i reagentów.
Badania koncentrują się także na optymalizacji warunków reakcji pod kątem ich wpływu na środowisko, zgodnie z założeniami chemii zielonej. Kluczowym aspektem jest ograniczenie odpadów i zużycia energii przy jednoczesnym zachowaniu lub zwiększeniu skuteczności chemicznej.
Nowy standard w syntezie leków?
Zastosowanie technologii umożliwiających dynamiczne śledzenie reakcji chemicznych w czasie rzeczywistym może stać się przełomem w dziedzinie chemii organicznej i farmaceutycznej. Główne korzyści to:
- Skrócenie czasu syntezy – reakcje trwające dotychczas dni mogą zakończyć się w ciągu kilku godzin;
- Redukcja kosztów – precyzyjna kontrola minimalizuje liczbę nieudanych prób;
- Ograniczenie wpływu na środowisko – mniej odpadów chemicznych i mniejsze zużycie energii.
Ten projekt stanowi ważny krok w stronę zrównoważonego rozwoju farmacji oraz przybliża nas do rzeczywistości, w której nowoczesne technologie będą nie tylko wspierać naukę, ale i chronić planetę.
Finansowanie
Praca była wspierana przez Narodowe Centrum Nauki, Polska, w ramach projektu badawczego №2024/53/N/NZ7/00617 „Nowa technika analityczna oceny i obrazowania postępu wybranych reakcji chemicznych wspomaganych MW/US/UV przy użyciu metody ATR-FTIR in situ w czasie rzeczywistym”.
Żródła
- Cherniienko, A.; Lesyk, R.; Zaprutko, L.; Pawełczyk, A. IR-EcoSpectra: Exploring sustainable ex situ and in situ FTIR applications for green chemical and pharmaceutical analysis. J. Pharm. Anal. 2024, S2095177924000480. https://doi.org/10.1016/j.jpha.2024.02.005
- Pawełczyk, A.; Sowa-Kasprzak, K.; Olender, D.; Zaprutko, L. Microwave (MW), Ultrasound (US) and Combined Synergic MW-US Strategies for Rapid Functionalization of Pharmaceutical Use Phenols. Molecules 2018, 23, 2360. https://doi.org/10.3390/molecules23092360
Kontakt: Alina Cherniienko, alina.cherniienko[at]student.ump.edu.pl
Promotorzy: dr hab. Anna Pawełczyk, Katedra i Zakład Chemii Organicznej, UMP i prof. Roman Lesyk z Narodowego Uniwersytetu Medycznego we Lwowie
Zezwalamy na bezpłatny przedruk artykułów ze strony pod wyłącznym warunkiem podania źródła artykułu. Prosimy o podanie następującego źródła: Nauka i Zdrowie UMP – onauce.ump.edu.pl
Prezentowane treści mają charakter wyłącznie informacyjny oraz edukacyjny i nie powinny być interpretowane jako porady medyczne służące do diagnozowania lub leczenia.
The Green Revolution in a Test Tube: Faster, Better Reactions through Real-Time Monitoring
Imagine if every medicine you take could be developed faster, cheaper, and in a more environmentally friendly way. Sounds like science fiction? Not necessarily. Thanks to modern technologies, it is now possible to observe chemical reactions in real time—a breakthrough that may revolutionize how pharmaceuticals are made.
Traditional drug synthesis is a bit like cooking without a recipe—chemists mix various substances and adjust reaction parameters, searching for optimal conditions through trial and error. This process can take months, even years, and often generates large amounts of chemical waste. But what if we could monitor a reaction as it happens, without interrupting it, and simultaneously optimize its speed and efficiency using microwaves, ultrasound, and UV light?
A Glimpse Inside a Chemical Reaction
Alina Cherniienko, a PhD candidate at the Doctoral School of Poznan University of Medical Sciences (PUMS), is exploring just that. Under the supervision of Dr. hab. Anna Pawełczyk, Prof. UMP and Prof. Lucjusz Zaprutko, and in collaboration with Prof. Roman Lesyk from Danylo Halytsky Lviv National Medical University, she is working on developing more sustainable methods for synthesizing nitrogen-containing compounds—key components in approximately 75% of all approved drugs.
What makes this approach innovative is the combination of real-time spectroscopic analysis with alternative energy sources that accelerate chemical reactions. The main tools used in the project include:
- FTIR spectroscopy, which allows continuous monitoring of chemical changes in a reaction vessel without interrupting the process;
- Microwaves, providing uniform and rapid energy transfer to the reaction system;
- Ultrasound, generating mechanical vibrations that facilitate chemical transformations;
- UV radiation, promoting bond formation by activating molecules.
These technologies enable real-time tracking of reaction progress and dynamic adjustment of reaction conditions, greatly improving efficiency and reducing the number of failed attempts.
Progress and Discoveries
So far, the team has optimized the synthesis of quinoxaline derivatives using both conventional and microwave-assisted methods in various solvent–catalyst systems. These results formed the basis for a research article that is currently under peer review.
The project has also initiated the development of new synthetic pathways for three pharmaceutically relevant compound classes:
- 1,5-benzodiazepines – used in anxiolytic and sedative drugs such as diazepam;
- Tri- and tetraphenylimidazoles – compounds with antifungal and anticancer potential;
- Benzimidazole derivatives – found in antiviral, antiparasitic medications and proton pump inhibitors.
What’s Next?
The next phase involves integrating additional energy sources—UV light and ultrasound—into the most promising reaction systems identified so far. The aim is to further enhance reaction efficiency while minimizing the use of solvents and reagents.
Ongoing research is also focused on optimizing reaction conditions to reduce environmental impact, which is in line with the principles of green chemistry. A key objective is to limit waste and energy consumption without compromising chemical efficacy.
A New Standard for Drug Synthesis?
The use of technologies that allow real-time monitoring and control of chemical reactions could mark a major breakthrough in organic and pharmaceutical chemistry. The key benefits include:
- Faster synthesis – reactions that once took days can be completed in a matter of hours;
- Lower costs – precise control reduces the number of failed experiments;
- Environmental sustainability – less chemical waste and lower energy consumption.
This research represents a significant step toward a more sustainable pharmaceutical future—bringing us closer to a world in which advanced technologies support science while safeguarding the planet.
Funding
This work was supported by the National Science Centre, Poland, under research project no. 2024/53/N/NZ7/00617: „The novel analytical technique of evaluation and imaging of the progress of selected chemical reactions assisted by MW/UV/US using the in situ ATR-FTIR method in real-time”.
References
- Cherniienko, A.; Lesyk, R.; Zaprutko, L.; Pawełczyk, A. IR-EcoSpectra: Exploring sustainable ex situ and in situ FTIR applications for green chemical and pharmaceutical analysis. J. Pharm. Anal. 2024, S2095177924000480. https://doi.org/10.1016/j.jpha.2024.02.005
- Pawełczyk, A.; Sowa-Kasprzak, K.; Olender, D.; Zaprutko, L. Microwave (MW), Ultrasound (US) and Combined Synergic MW-US Strategies for Rapid Functionalization of Pharmaceutical Use Phenols. Molecules 2018, 23, 2360. https://doi.org/10.3390/molecules23092360
Contact: Alina Cherniienko, alina.cherniienko[at]student.ump.edu.pl
Supervisors: Asst. prof Anna Pawełczyk, Department of Organic Chemistry, PUMS and Prof. Roman Lesyk, Danylo Halytsky Lviv National Medical University
We allow free reprinting of articles from the website under the sole condition that the source of the article is mentioned. Please cite the following source: Nauka i Zdrowie UMP (Science and Health PUMS) – onauce.ump.edu.pl
The content presented is for informational and educational purposes only and is not intended as a substitute for professional medical advice, diagnosis, or treatment.
