ห้องปฏิบัติการเคมีอินทรีย์สังเคราะห์ (ห้องปฏิบัติการโคบายาชิ), ภาควิชาเคมี, คณะวิทยาศาสตร์, มหาวิทยาลัยโตเกียว
ดร.ชู โคบายาชิ
ศาสตราจารย์ ห้องปฏิบัติการเคมีอินทรีย์สังเคราะห์ ภาควิชาเคมี/โรงเรียนวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยโตเกียว
ในปี 1987 เขาดำรงตำแหน่งผู้ช่วยศาสตราจารย์ในภาควิชาเคมีประยุกต์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์โตเกียว ในปีถัดมาเขาได้รับปริญญาเอก ระดับ. ในปี 1991 เขาได้รับแต่งตั้งให้เป็นอาจารย์ในสถาบันเดียวกัน ในปี 1992 เขาได้รับการเลื่อนตำแหน่งให้เป็นรองศาสตราจารย์ และในปี 1998 เขาได้รับตำแหน่งศาสตราจารย์เต็มจำนวนจาก Graduate School of Pharmaceutical Sciences ที่มหาวิทยาลัยโตเกียว เขาดำรงตำแหน่งปัจจุบันตั้งแต่ปี 2007
นับตั้งแต่ได้รับรางวัล Progress Award จากสมาคมเคมีแห่งประเทศญี่ปุ่นด้วย "การศึกษาปฏิกิริยาคัดเลือกสเตอริโอขั้นสูงโดยใช้ carbocations" เขาได้รับรางวัลมากมายรวมถึงรางวัล Arthur C. Cope Scholar Award, รางวัล Hamilton และรางวัล Humboldt
ความท้าทายในการสร้างวิธีการสังเคราะห์สารอินทรีย์ – การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งซึ่งสนับสนุนโดย NMR ของสถานะของแข็ง
ศาสตราจารย์ Shū Kobayashi แห่งมหาวิทยาลัยโตเกียวเป็นผู้บุกเบิก "Green Chemistry" ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เป็นเวลากว่า 20 ปีที่เขาได้ศึกษาการสังเคราะห์ทางเคมีและอิทธิพลของการสังเคราะห์ทางเคมีที่มีต่อร่างกายมนุษย์และสิ่งแวดล้อม และได้ค้นหาวิธีการลดการใช้พลังงานและทรัพยากรในปฏิกิริยาเคมี
วิธีการเปลี่ยนการสังเคราะห์ยาโดยศึกษาจากอดีต
การผลิตสารเคมีที่ดี เช่น ยา นั้นมักจะไม่มีประสิทธิภาพ และปริมาณของเสียที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ยาส่งผลให้มากกว่าปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับมากถึง 20 ถึง 100 เท่า ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะเพิกเฉยต่อผลกระทบด้านลบของกระบวนการทางเคมีที่ดีต่อสิ่งแวดล้อม
ระบบสังเคราะห์การไหล
ศาสตราจารย์โคบายาชิได้มุ่งเน้นไปที่การสังเคราะห์การไหล ซึ่งก่อนหน้านี้เคยใช้ในการสังเคราะห์สารเคมีสำหรับสินค้าโภคภัณฑ์จำนวนมาก เช่น แอมโมเนีย และเขากำลังศึกษาเทคนิคนี้เพื่อสังเคราะห์สารอินทรีย์ที่ซับซ้อนมากขึ้น การสังเคราะห์การไหลทำได้โดยการเชื่อมต่อคอลัมน์ต่างๆ สำหรับแต่ละขั้นตอนของปฏิกิริยาและส่งผ่านวัสดุตั้งต้นผ่านพวกมันเพื่อเป็นสารละลาย ในขณะที่วิธีแบทช์ซึ่งปกติใช้ในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ทั่วไป ต้องใช้ถังปฏิกิริยาจำนวนมาก การสังเคราะห์การไหลสามารถทำให้กระบวนการง่ายขึ้นและลดปริมาณของเสียได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม ปัญหาหลักในการสังเคราะห์การไหลคือผลพลอยได้ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการไหลจะไม่ถูกกำจัดออกไปและส่งผลเสียต่อกระบวนการเกิดปฏิกิริยาเอง ศาสตราจารย์โคบายาชิกำลังพยายามออกแบบกระบวนการปฏิกิริยาใหม่เพื่อผลิตสารที่ต้องการโดยไม่มีผลพลอยได้
ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ละลายน้ำพลิกวิธีดั้งเดิม
กุญแจสำคัญในการพัฒนากระบวนการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นคือการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ละลายน้ำที่เหมาะสม โดยปกติ ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ ร่วมกับวัสดุตั้งต้น และถูกทิ้งด้วยตัวทำละลายหลังจากปฏิกิริยา ศาสตราจารย์โคบายาชิได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาหลายชนิดที่ไม่ละลายน้ำ แต่มีปฏิกิริยาสูง เนื่องจากสามารถกู้คืนและนำตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ละลายน้ำเหล่านี้กลับมาใช้ใหม่ได้ และตัวเร่งปฏิกิริยาวิทยานิพนธ์ไม่รั่วไหลออกไปในคอลัมน์ถัดไป ความยืดหยุ่นในการออกแบบกระบวนการปฏิกิริยาใหม่และการรวมกันของตัวเร่งปฏิกิริยาในการไหลจึงได้รับการปรับปรุง
ศาสตราจารย์โคบายาชิกล่าวอย่างมั่นใจว่า “เมื่อเทียบกับการสังเคราะห์แบบกลุ่ม เครื่องมือมีขนาดหนึ่งในสิบ และของเสียที่เกิดจากการสังเคราะห์สารอินทรีย์มีเพียงหนึ่งในร้อยเท่านั้น ด้วยการใช้อุปกรณ์ขนาดเล็กบนโต๊ะทำงานของคุณ คุณสามารถผลิตสินค้าได้มากถึง 1 กิโลกรัมในหนึ่งชั่วโมง”
ในเดือนเมษายน 2015 เขาประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์ยา Rolipram โดยใช้การสังเคราะห์กระแสด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ละลายน้ำซึ่งบรรจุอยู่ในคอลัมน์ และรายงานของเขาได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature อันทรงเกียรติ โดยการแลกเปลี่ยนเพียงคอลัมน์เดียว ออปติคัลไอโซเมอร์ตรงข้ามของยาจึงถูกสังเคราะห์ขึ้น และนี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากกิจกรรมการมองเห็นของยามีความสำคัญต่อคุณสมบัติของยา ศาสตราจารย์โคบายาชิได้ประกาศในรายงานเบื้องต้นว่า "หลังจากผ่านไปหนึ่งปี ผลผลิตก็เพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 50% และเวลาก็มาถึงสำหรับการใช้งานจริงของวิธีนี้"
การพัฒนาได้รับการสนับสนุนโดยNMR
สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาที่พัฒนาขึ้นใหม่ โครงสร้างโมเลกุลจำเป็นต้องเข้าใจในระดับอะตอมเพื่อที่จะชี้แจงกลไกของปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ศ.โคบายาชิพัฒนาขึ้นนั้นวิเคราะห์ได้ยากเพราะเป็นของแข็ง และเขาต้องติดต่อ JEOL สำหรับความเชี่ยวชาญของพวกเขา
Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR) ถูกใช้เป็นเครื่องมือวิเคราะห์อย่างแพร่หลายเพื่อศึกษาวัสดุในสารละลาย เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่พัฒนาโดยโคบายาชิไม่ละลายน้ำ จึงใช้เทคนิค NMR เฉพาะที่เรียกว่า Solution Resolution Magic Angle Spinning (SR-MAS) เทคนิคนี้พัฒนาขึ้นในปี 1997 และทำงานโดยการหมุนตัวอย่างอย่างรวดเร็วที่มุม 54.7 องศา (เรียกว่า “มุมมหัศจรรย์”) ในสนามแม่เหล็ก โดยปกติ ปฏิกิริยาแอนไอโซทรอปิกจะปรับเปลี่ยนระดับพลังงานการหมุนของนิวเคลียร์ (และด้วยเหตุนี้ความถี่เรโซแนนซ์) ของไซต์ทั้งหมดในโมเลกุล และอาจทำให้เส้นขยายกว้างขึ้นอย่างมากในสเปกตรัม NMR ของของแข็ง
สำหรับ NMR เครื่องมือ JNM-ECZ600R ของ JEOL และเครื่องมือ JNM-ECX600,ECA500, ECX400 ก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน
ด้วยการหมุนตัวอย่างอย่างรวดเร็วที่ "มุมมหัศจรรย์" การโต้ตอบเหล่านี้จะถูกเฉลี่ยเพื่อยับยั้งการขยายสเปกตรัม NMR นอกจากนี้ การกระตุ้นพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งให้กลายเป็นเจลสามารถปรับปรุงการเคลื่อนที่ของโมเลกุลเพื่อให้สามารถวัดสเปกตรัมที่ค่อนข้างแหลมคมซึ่งคล้ายกับที่ได้จากของเหลวได้ ในปัจจุบัน ตัวแปรขั้นสูงของ MAS (FG-MAS, Field Gradient Magic Angle Spinning) มีส่วนสนับสนุนเพิ่มเติมในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งที่มีประสิทธิภาพสูง
การวัดค่า NMR แบบโซลิดสเตตที่ดำเนินการโดยกลุ่มโคบายาชิ ดำเนินการโดยใช้เครื่องมือ JEOL JNM-ECZ600R
มิคส
อย่างไรก็ตาม ในการออกแบบกระบวนการปฏิกิริยาใหม่ จำเป็นต้องมีวิธีการวัดสถานะของตัวเร่งปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาแบบเรียลไทม์
ซึ่งทำได้โดยใช้อุปกรณ์ MICCS (MICRO Channeled Cell for Synthesis Monitoring) ของ JEOL สิ่งประดิษฐ์นี้ช่วยให้สามารถวัดค่า NMR ของส่วนผสมของปฏิกิริยาได้ภายในโพรบ NMR โดยใช้ปั๊มหลอดฉีดยาแต่ละอันที่ป้อนรีเอเจนต์แต่ละตัว และสามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างโมเลกุลภายในโพรบได้ในช่วงระยะเวลาหนึ่ง
ศาสตราจารย์โคบายาชิอธิบายว่า “ในขณะที่จำนวนกระบวนการในการสังเคราะห์กระแสเพิ่มขึ้น ความจำเป็นในการสังเกตรีเอเจนต์และตัวเร่งปฏิกิริยาในแบบเรียลไทม์ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน เมื่อจำนวนโครงสร้างโมเลกุลที่วัดได้โดย NMR เพิ่มขึ้น เราก็จะสามารถสังเคราะห์สารประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้นได้”
สู่ความสามัคคีระหว่างสิ่งแวดล้อมและเคมี
ศาสตราจารย์โคบายาชิตั้งเป้าที่จะพัฒนาวิธีการสังเคราะห์การไหลต่อไป และจะพยายามจัดตั้งโรงงานนำร่องผ่านความร่วมมือระหว่างภาคอุตสาหกรรม รัฐบาล และมหาวิทยาลัย นี้จะช่วยให้กลุ่มที่สนใจได้สัมผัสกับข้อดีของการสังเคราะห์การไหลโดยการนำเสนอการใช้พืช
ศาสตราจารย์โคบายาชิยังทำงานเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อขนส่งก๊าซไฮโดรเจนอย่างปลอดภัย ไฮโดรเจนซึ่งไวไฟสูงและระเบิดได้ สามารถขนส่งได้อย่างปลอดภัยหากทำปฏิกิริยากับโทลูอีนเพื่อสร้างสารที่คงตัว นั่นคือ เมทิลไซโคลเฮกเซน ศาสตราจารย์โคบายาชิได้พยายามพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขายเพื่อสกัดไฮโดรเจนจากเมทิลไซโคลเฮกเซนอย่างมีประสิทธิภาพ
“น้ำเป็นสิ่งเดียวที่เซลล์เชื้อเพลิงผลิตขึ้น หากเราสามารถพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถดึงไฮโดรเจนออกจากน้ำโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้ ก็จะเป็นพลังงานที่ไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ฉันต้องการมีส่วนร่วมในสังคมไม่เพียง แต่เพื่อประโยชน์ของสิ่งแวดล้อม แต่ยังเพื่อประโยชน์ของมนุษย์ สุขภาพ และพลังงาน ผ่านเคมี”