Multi-component reactions: Methods for drug discovery

Thumbnail Image

Files

bachelor_Grant_Amanda_2026.pdf (500.28 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-12-16

Department

Major/Subject

Chemistry and Materials Science

Mcode

Degree programme

Bachelor's Programme in Chemical Engineering
Kemian tekniikan kandidaattiohjelma
Kandidatprogram i kemiteknik

Language

en

Pages

23

Series

Abstract

The drug industry produces a high amount of chemical waste compared to other chemical industries, partially due to drugs being synthesised by multi-step synthesis, that generates a considerable number of byproducts. Multi-component reactions (MCRs) can enable a more sustainable drug discovery and a greener drug industry. MCRs are reactions with three or more reactants, that can react in a one-pot reaction to form complex molecules with important features as drugs. MCRs can form chiral molecules, which are valuable for the drug industry. Chiral molecules, some with different enantiomers, are preferred for different drug applications. Enantiomers can have distinct biological activities and need to be viewed separately. Reactions with high enantioselectivity are preferred for drug synthesis. Products of MCRs have three-dimensional features that enable the creation of compound libraries for high throughput screening, which is used for drug discovery. This thesis presents MCRs as a greener alternative for the drug industry. Well known MCRs such as, Strecker reaction, Ugi reaction and Hantzsch pyridine synthesis are described, and their benefits and limitations for drug synthesis are discussed. Additionally, the drug industry’s opportunities and limitations for the use of MCRs in a sustainable drug industry are analysed. A main feature of MCRs is a high atom economy, which implies that all or most of the atoms from the reactants are used for the product. Atom economy can in some cases reach up to 100 %. High atom economy corresponds to reduced formation of byproducts. Possible reaction mechanisms are presented for the three mentioned MCRs. However, MCRs can have several possible reaction mechanism pathways making it difficult to plan the drug synthesis, as well as scale up the reaction to an industrial level. Multiple MCRs form racemic mixtures, which can be complicated and unsustainable to separate. Transition-metal catalysts give good results, although they are often seen as unsustainable. Therefore, this thesis investigates more sustainable alternatives, such as the use of organocatalyst to achieve high enantioselectivity and possible substituents for toxic and reactive reactants. As a conclusion, MCRs has many benefits, such as high atom economy and possibility to react in a one-pot reaction in mild reaction conditions. However further research is needed before MCRs can find industrial applications in drug synthesis.

Läkemedelsindustrin genererar höga mängder kemikalieavfall jämfört med andra kemikalieindustrier, delvis eftersom läkemedel syntetiseras genom flerstegssynteser som skapar betydande mängder biprodukter. Multikomponentreaktioner (MCR) kan möjliggöra ett mer hållbart upptäckande av läkemedel och en grönare läkemedelsindustri. MCR är reaktioner med tre eller flera utgångsämnen som kan reagera i ett enda steg och bilda komplexa molekyler med viktiga egenskaper för läkemedel. MCR kan bilda kirala molekyler som är viktiga för läkemedelsindustrin. Kirala molekyler föredras för tillämpning av läkemedel. Enantiomerer kan ha betydliga skillnader i biologisk aktivitet och bör behandlas skilt. Därför är reaktioner med hög enantioselektivitet viktiga för syntes av läkemedel. MCR-produkters tredimensionella egenskaper möjliggör uppbyggandet av substansbibliotek som kan användas för att hitta molekyler med eftertraktad biologisk aktivitet. Dylika substansbibliotek används för upptäckande av nya läkemedel. I detta arbete presenteras MCR som ett grönt alternativ för läkemedelsindustrin. Välkända MCR såsom Strecker-syntesen, Ugi-reaktionen och Hantzsch-pyridinsyntesen beskrivs och dessa reaktioners möjligheter och begränsningar för läkemedelssyntes diskuteras. Dessutom analyseras möjligheter och begränsningar för användning av multikomponentreaktioner för en hållbar läkemedelsindustri. En central egenskap för en MCR är dess höga atomekonomi, vilket innebär att alla eller de flesta atomerna från utgångsämnena används till produkten. Atomekonomin kan i vissa fall uppnå 100 % och hög atomekonomi leder till minskad bildning av biprodukter. Möjliga reaktionsmekanismer för de tre nämnda reaktionerna presenteras. MCR kan dock ha flera möjliga reaktionsmekanismer som försvårar planering av läkemedelssynter och möjligheterna att skala upp reaktionen till en industriell nivå. Många MCR bildar en racemisk blandning, vilket kan vara komplicerat och ohållbart att separera. Metallorganisk katalys anses ofta vara mindre hållbart, även om resultatet är bra. I detta arbete undersöks därför hållbarare metoder, såsom användning av organokatalys, för att uppnå hög enantioselektivitet, samt möjliga alternativa reagenser för att undvika giftiga och reaktiva utgångsämnen. Som sammanfattning har MCR många fördelar såsom hög atomekonomi, möjlighet att reagera i ett steg i milda reaktionsförhållanden. Ytterligare forskning krävs för att möjliggöra industriell läkemedelsframställning med hjälp av MCR.

Description

Supervisor

Nieminen, Minna-Hanna

Thesis advisor

Franzen, Robert

Keywords

strecker, ugi, hantzsch, multicomponent reaction, asymmetric synthesis, sustainable drug synthesis

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202601061078

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM