ในการแสวงหาเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: นวัตกรรมในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ที่สนับสนุนโดยเครื่องมือวิเคราะห์
สัมภาษณ์ 06
ชู โคบายาชิ
ศาสตราจารย์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยโตเกียว
ความก้าวหน้าทางเคมีได้นำไปสู่ประโยชน์มหาศาลต่อสังคมและส่งผลกระทบต่อชีวิตของเราเกือบทุกด้าน รวมถึงการดูแลสุขภาพ พลังงาน การผลิตอาหาร และวัสดุใหม่ แม้ว่าสังคมจะมั่งคั่งจากความก้าวหน้านี้ แต่การผลิตสารเคมียังก่อให้เกิดปัญหาสิ่งแวดล้อมที่ร้ายแรง เช่น มลภาวะและการปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อม ที่มหาวิทยาลัยโตเกียว ศาสตราจารย์ Shū Kobayashi กำลังเป็นผู้นำในการพัฒนาเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมหรือ "สีเขียว"
การผลิตซ้ำในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ของ Vivo ในขวด
ศาสตราจารย์ชู โคบายาชิแห่งมหาวิทยาลัยโตเกียว นักวิจัยชั้นนำด้าน "เคมีสีเขียว" กล่าวว่า "ฉันต้องการขจัดแง่ลบของเคมีให้หมดไป" เคมีสีเขียวหมายถึงรูปแบบใหม่ของเคมีที่เน้นความกลมกลืนกับสิ่งแวดล้อมและมุ่งหวังที่จะลดของเสียที่เกิดจากการสังเคราะห์สารเคมีและเพื่อลดการใช้พลังงานการใช้ทรัพยากรและผลกระทบด้านลบที่อาจเกิดขึ้นของสารเคมีในร่างกายมนุษย์ และสิ่งแวดล้อม การลดภาระด้านสิ่งแวดล้อมถือเป็นความท้าทายที่สำคัญอย่างหนึ่งของศตวรรษที่ 21 โดยปราศจากคำถาม และการวิจัยของศาสตราจารย์โคบายาชิได้รับความสนใจอย่างมากจากชุมชนเคมีและสิ่งแวดล้อมทั้งในและต่างประเทศ
ศาสตราจารย์โคบายาชิเชื่อว่าปฏิกิริยาในร่างกายเป็นปฏิกิริยาเคมีในอุดมคติ ในร่างกายมนุษย์ ปฏิกิริยาเคมีจำนวนมากเกิดขึ้นอย่างไม่หยุดยั้งด้วยความช่วยเหลือของเอ็นไซม์ แต่ตัวทำละลายที่ละลายวัสดุในร่างกายของเราประกอบด้วยน้ำเป็นหลัก ในทางกลับกัน โรงงานเคมีและห้องปฏิบัติการมักใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น โทลูอีนและอะซิโตน สำหรับการสังเคราะห์ทางเคมี ตัวทำละลายดังกล่าวก่อให้เกิดภาระต่อสิ่งแวดล้อมสูงและเป็นอันตรายต่อมนุษย์ และต้องกำจัดทิ้งด้วยความระมัดระวังเป็นอย่างยิ่ง ในทางตรงกันข้าม ของเสียที่เกิดจากปฏิกิริยาทางชีวภาพสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพและไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ศาสตราจารย์โคบายาชิชี้ให้เห็นว่าระบบในร่างกายเป็นแบบอย่างในอุดมคติสำหรับโรงงานเคมีที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม แนวความคิดในการทำซ้ำการสังเคราะห์สารอินทรีย์ในอุดมคตินี้ในขวดเป็นจุดเริ่มต้นของความมุ่งมั่นของศาสตราจารย์โคบายาชิในด้านเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสถียรในน้ำ
หัวข้อการวิจัยที่มีมาช้านานของศาสตราจารย์โคบายาชิเรื่องหนึ่งคือการสังเคราะห์สารอินทรีย์โดยใช้น้ำเป็นตัวทำละลายทางเลือก โดยทั่วไป วัตถุดิบสำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์ส่วนใหญ่จะไม่ชอบน้ำและไม่ละลายในน้ำ นอกจากนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะที่เอื้อต่อปฏิกิริยาอินทรีย์มักจะสลายตัวเมื่อสัมผัสกับน้ำ ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นเรื่องปกติในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ในการกำจัดน้ำออกจากถังปฏิกิริยาอย่างทั่วถึงก่อนนำไปใช้ การใช้น้ำเป็นตัวทำละลายขัดกับภูมิปัญญาดั้งเดิม การสำรวจวัสดุที่ไม่ละลายน้ำและปฏิกิริยาของวัสดุ และการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่สลายตัวในน้ำ จำเป็นต้องมีการวิจัยที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนซึ่งในตอนแรกส่งผลให้เกิดความล้มเหลวต่อเนื่องกัน
“นักเคมีอินทรีย์สังเคราะห์หลายคนสนใจที่จะสร้างสารประกอบใหม่มากกว่าโครงสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาและกลไกการเกิดปฏิกิริยา ความสนใจของฉันค่อนข้างตรงกันข้าม ฉันต้องการเข้าใจโครงสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาและกลไกการเกิดปฏิกิริยา ฉันเชื่อว่าสิ่งนี้จะช่วยให้ฉันสามารถหาวิธีใช้น้ำเป็นตัวทำละลายทางเลือกสำหรับปฏิกิริยาอินทรีย์ได้”
หลังจากการลองผิดลองถูกหลายครั้ง ศาสตราจารย์โคบายาชิได้ค้นพบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยากรดลิวอิสชนิดหนึ่งที่เรียกว่า "ไตรเฟลตธาตุหายาก" และสารลดแรงตึงผิวจะทำให้ปฏิกิริยาอินทรีย์เกิดขึ้นได้กับน้ำในฐานะตัวทำละลาย ไทรเฟลตที่หายากคือตัวเร่งปฏิกิริยากรดลูอิสพิเศษที่ไม่ถูกทำให้เป็นกลางในน้ำ แม้ว่าทริเฟลตที่หายากจะมีปฏิกิริยาในน้ำน้อยกว่า แต่เมื่อรวมกับสารลดแรงตึงผิว มันจะห่อหุ้มโมเลกุลของวัตถุดิบเช่นเดียวกับที่โมเลกุลของสบู่ดักจับสิ่งสกปรก สิ่งนี้ทำให้ปฏิกิริยาระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยาและวัตถุดิบเกิดขึ้นภายในไมโครสเปซที่ห่อหุ้ม ซึ่งนำไปสู่ปฏิกิริยาสูง นอกจากนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยากรดลิวอิสสามารถกู้คืนและนำกลับมาใช้ใหม่ได้หลังจากการสังเคราะห์เนื่องจากไม่ละลายในน้ำ
ยี่สิบห้าปีหลังจากการค้นพบครั้งแรกของเขา ศาสตราจารย์โคบายาชิได้สำรวจตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในน้ำ ดังนั้น ประมาณ 20% ของปฏิกิริยาพื้นฐานที่ใช้สำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์ในปัจจุบันสามารถเกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นน้ำ
“ตัวเลข 20% อาจฟังดูต่ำ แต่เป็นผลมาจากความพยายามของเรากับปฏิกิริยาที่มีมูลค่าสูงสุดแต่ทำได้ยาก สิ่งนี้ได้ชี้แจงกลไกปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นการวิจัยในสาขานี้จึงคาดว่าจะเร่งตัวขึ้นอย่างรวดเร็ว” ศาสตราจารย์โคบายาชิกล่าวด้วยความมั่นใจ
โรงงานผลิตยาบนโต๊ะ
ศาสตราจารย์โคบายาชิอธิบายระบบสังเคราะห์การไหล การประยุกต์ใช้ "โรงงานผลิตยาบนโต๊ะ" ในทางปฏิบัติอยู่ใกล้แค่เอื้อม
การวิจัยของศาสตราจารย์โคบายาชิได้เข้าสู่ขั้นตอนต่อไป: การสังเคราะห์สารอินทรีย์โดยวิธีการสังเคราะห์การไหล การสังเคราะห์การไหลเป็นเทคนิคที่ช่วยให้การสังเคราะห์สารที่ตั้งใจเกิดขึ้นได้โดยการเทวัตถุดิบลงในระบบการไหลซึ่งประกอบด้วยคอลัมน์ต่างๆ ที่รับผิดชอบต่อปฏิกิริยาแต่ละอย่าง
แม้ว่าเทคนิคนี้จะใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตสารเคมีพื้นฐานจำนวนมาก เช่น การผลิตแอมโมเนีย แต่ก็คิดว่าจะไม่ได้ผลสำหรับการผลิตสารเคมีที่ซับซ้อน เช่น การสังเคราะห์ทางเภสัชกรรม ทั้งนี้เนื่องมาจากความไร้ประสิทธิภาพของการเปลี่ยนรูปสารอินทรีย์และการปนเปื้อนของผลิตภัณฑ์พลอยได้ ซึ่งอาจส่งผลในทางลบต่อปฏิกิริยาที่ตามมาในการสังเคราะห์การไหลแบบหลายขั้นตอน
ดังนั้น ในด้านของการสังเคราะห์ทางเคมีอย่างละเอียดสำหรับผลิตภัณฑ์ยาและเครื่องสำอาง มักใช้ระบบแบทช์ ซึ่งวัสดุขั้นกลางจะถูกทำให้บริสุทธิ์หลังจากกระบวนการปฏิกิริยาแต่ละครั้ง แล้วใส่ลงในถังที่แตกต่างกันด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันสำหรับปฏิกิริยาต่อไป อย่างไรก็ตาม เมื่อสิ้นสุดแต่ละกระบวนการ ระบบแบทช์จะผลิตของเสียจำนวนมากที่ได้มาจากตัวทำละลายอินทรีย์และหลังการประมวลผล ปริมาณของเสียที่ผลิตได้นั้นมากกว่าปริมาณของยาที่ผลิต 20 ถึง 100 เท่า ซึ่งค่อนข้างมากในแง่ของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ในฐานะผู้สนับสนุนเคมีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ศาสตราจารย์โคบายาชิต้องการพัฒนาวิธีการกำจัดของเสียนี้
วัตถุประสงค์คือเพื่อกำหนดวิธีการออกแบบกระบวนการปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาที่จำเป็นที่สามารถผลิตสารที่ต้องการได้โดยไม่ทำให้เกิดของเสีย
ผลลัพธ์ของการวิจัยที่มีมายาวนานของศาสตราจารย์โคบายาชิในเรื่องตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งซึ่งไม่ละลายในตัวทำละลายได้สร้างความแตกต่างในเรื่องนี้เช่นกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งเหมาะสำหรับการสังเคราะห์การไหลเนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งที่บรรจุในคอลัมน์จะไม่ไหลไปยังคอลัมน์ถัดไป ดังนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งจึงเพิ่มอิสระในการออกแบบกระบวนการปฏิกิริยาและการรวมกันของตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ เนื่องจากจำเป็นต้องใช้เฉพาะคอลัมน์ หลอด และปั๊มสำหรับการสังเคราะห์การไหล ระบบการไหลจึงมีขนาดเพียงหนึ่งในสิบของระบบการสังเคราะห์แบบแบทช์และผลิตของเสียเพียงหนึ่งในร้อยของปริมาณที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์ ศาสตราจารย์โคบายาชิอธิบายว่า "คุณสามารถมีโรงงานผลิตยาบนโต๊ะทำงานของคุณได้ และจะสามารถผลิตสารที่ต้องการได้ในอัตรา 1 กิโลกรัมต่อชั่วโมง”
ในเดือนเมษายน 2015 ศาสตราจารย์โคบายาชิประสบความสำเร็จในการผลิต “โรลิแพม” ซึ่งเป็นส่วนประกอบยาที่ช่วยลดการอักเสบ การศึกษาที่เกี่ยวข้องของเขาได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ Nature จากการศึกษาพบว่าอิแนนชิโอเมอร์ที่ต่างกันซึ่งเป็นภาพสะท้อนซึ่งกันและกันและสามารถมีคุณสมบัติทางยาที่แตกต่างกัน สามารถผลิตได้ทั้งโดยเพียงแค่แทนที่คอลัมน์ใดคอลัมน์หนึ่ง และสามารถส่งผลให้การผลิตมีประสิทธิภาพสูงโดย 50% ของวัตถุดิบจะถูกแปลงเป็นยา วัสดุ.
“ประสิทธิภาพการผลิตตอนนี้มากกว่า 90% นี่เป็นเวลาที่จะต้องพิจารณาการใช้งานจริง” เขาพูดว่า.
มองเห็นสิ่งที่ไม่มีใครเคยเห็น
ในขณะที่ความคาดหวังของความสำเร็จได้รับการยกระดับขึ้นในอุตสาหกรรมยาและเคมีภัณฑ์อื่นๆ JEOL ได้สนับสนุนการวิจัยของศาสตราจารย์โคบายาชิมาอย่างยาวนาน
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) เป็นเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับการสังเกตพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาตามเวลา JEOL จัดหา TEM ให้กับศาสตราจารย์โคบายาชิ รวมทั้งช่างเทคนิคที่มีประสบการณ์สูง เพื่อสนับสนุนงานวิจัยของเขา
สำหรับการศึกษาเพื่อเปิดเผยกลไกของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา สเปกโตรมิเตอร์เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) ที่ออกแบบมาเพื่อวิเคราะห์โครงสร้างโมเลกุลของสารในระดับอะตอมได้ถูกนำมาใช้ แม้ว่าสารสามารถวัดได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในสารละลาย แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ศาสตราจารย์โคบายาชิทำงานด้วยนั้นเป็นของแข็งและไม่ละลายในน้ำ ในระยะแรกของการวิจัย เขาขาดวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการวิเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ในปี 1997 JEOL ได้ร่วมพัฒนาวิธีการวิเคราะห์และซอฟต์แวร์ที่ตอบสนองความต้องการของเขา จึงให้การสนับสนุนการวิจัยเคมีอินทรีย์สังเคราะห์ของเขา ทุกวันนี้ ซอฟต์แวร์เวอร์ชันพัฒนาแล้วนั้นมีส่วนช่วยในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพสูง
เมื่อเร็วๆ นี้ ได้มีการซื้อเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ NMR สำหรับตัวอย่างที่เป็นของแข็ง JNM-ECZ600R และจะใช้ในการวิเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ที่ทำปฏิกิริยาในสถานะของแข็งโดยไม่ต้องใช้น้ำหรือตัวทำละลายอินทรีย์
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการประเมินโครงสร้างพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา
DART-MS ของ JEOL ยังใช้ในห้องทดลองของศาสตราจารย์โคบายาชิด้วย
เคมีเพื่อสร้างสังคมที่ดีขึ้น
เพื่อสร้างความตระหนักรู้เกี่ยวกับการสังเคราะห์การไหล ปัจจุบัน ศาสตราจารย์โคบายาชิกำลังพัฒนาโครงการนำร่องภาคอุตสาหกรรม รัฐบาล-วิชาการ เพื่อสร้างโรงงานที่เปิดให้บริษัทต่างๆ ที่สนใจในเทคนิคนี้เพื่อสาธิตข้อดีของระบบการไหลแบบลงมือปฏิบัติ
นอกจากนี้ ศาสตราจารย์โคบายาชิกำลังศึกษาการพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อขนส่งก๊าซไฮโดรเจนอย่างปลอดภัย เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการทำให้เกิด "สังคมไฮโดรเจน" แม้ว่าก๊าซไฮโดรเจนจะไวไฟสูงและระเบิดได้ แต่ก็สามารถทำให้เสถียรและขนส่งได้อย่างปลอดภัยเมื่อถูกผูกมัดทางเคมีกับโทลูอีนเพื่อสร้างเมทิลไซโคลเฮกเซน ดังนั้น ศาสตราจารย์โคบายาชิจึงทำงานเพื่อพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถแยกไฮโดรเจนออกจากเมทิลไซโคลเฮกเซนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เขากล่าวว่า "ผมคิดว่าการมีปฏิสัมพันธ์กับสังคมเป็นสิ่งสำคัญมากกว่าที่จะศึกษาและอยู่ในแวดวงวิชาการอย่างต่อเนื่อง ผ่านวิชาเคมี ฉันต้องการมีส่วนร่วมไม่เพียงต่อสิ่งแวดล้อมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสวัสดิภาพของมนุษย์ สุขภาพ และปัญหาด้านพลังงานด้วย”
ชู โคบายาชิ
ศาสตราจารย์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยโตเกียว
หลังจากถอนตัวจากหลักสูตรปริญญาเอกของโรงเรียนวิทยาศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยโตเกียวโดยไม่สำเร็จ เขาก็กลายเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ในปี 1987 ในภาควิชาเคมีประยุกต์ที่มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์โตเกียว และได้รับปริญญาวิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิตในปี 1988 เขาได้เป็นอาจารย์ ในคณะวิทยาศาสตร์ในมหาวิทยาลัยเดียวกันในปี 1991 และได้รับเลื่อนตำแหน่งเป็นรองศาสตราจารย์ในปี 1992 ก่อนที่จะรับตำแหน่งศาสตราจารย์ในปี 1998 ใน Graduate School of Pharmaceutical Sciences ที่มหาวิทยาลัยโตเกียว เขาดำรงตำแหน่งปัจจุบันมาตั้งแต่ปี 2007 ในปีพ.ศ. 1991 เขาได้รับรางวัล Chemical Society of Japan Award for Young Chemists เพื่อเป็นเกียรติแก่ "การศึกษาปฏิกิริยาคัดเลือกสเตอริโอสูงโดยใช้สายพันธุ์ carbocation" และต่อมาได้รับรางวัลอันทรงเกียรติระดับนานาชาติมากมาย รวมทั้งรางวัล Arthur C . Cope Scholar Award, CS Hamilton Award และ Humboldt Research Award
โพสต์เมื่อ:พฤศจิกายน 2016