Makmal Kimia Organik Sintetik (Kobayashi Lab), Jabatan Kimia, Pusat Pengajian Sains, Universiti Tokyo
Dr Shu Kobayashi
Profesor, Makmal Kimia Organik Sintetik, Jabatan Kimia/Pusat Pengajian Sains, Universiti Tokyo.
Pada tahun 1987, beliau berkhidmat sebagai penolong profesor di Jabatan Kimia Gunaan, Sekolah Sains, Universiti Sains Tokyo. Pada tahun berikutnya, beliau memperoleh Ph.D. ijazah. Pada tahun 1991, beliau telah dilantik sebagai Pensyarah di institusi yang sama. Pada tahun 1992, beliau dinaikkan pangkat sebagai Profesor Madya, dan pada tahun 1998 beliau telah dianugerahkan jawatan Profesor penuhnya di Sekolah Siswazah Sains Farmaseutikal di Universiti Tokyo. Beliau telah memegang jawatan sekarang sejak 2007.
Sejak dianugerahkan Anugerah Kemajuan daripada Persatuan Kimia Jepun dengan "Kajian tentang tindak balas stereoselektif yang tinggi menggunakan karbokation", beliau telah menerima banyak anugerah termasuk Anugerah Arthur C. Cope Scholar, Anugerah Hamilton dan Hadiah Humboldt.
Cabaran kepada kaedah sintesis organik yang telah ditetapkan - pembangunan pemangkin pepejal yang disokong oleh NMR keadaan pepejal.
Profesor Shū Kobayashi dari Universiti Tokyo ialah perintis "Kimia Hijau" yang mesra alam. Selama lebih daripada 20 tahun, beliau telah mengkaji sintesis kimia dan pengaruhnya terhadap tubuh manusia dan alam sekitar dan telah mencari cara untuk mengurangkan penggunaan tenaga dan sumber dalam tindak balas kimia.
Kaedah untuk mengubah sintesis dadah dengan mengkaji masa lalu
Pembuatan bahan kimia halus, seperti dadah, secara tradisinya tidak cekap dan jumlah sisa yang dihasilkan semasa sintesis ubat menghasilkan sebanyak 20 hingga 100 kali ganda lebih banyak daripada jumlah produk yang diperolehi. Oleh itu, adalah tidak mungkin untuk mengabaikan kesan negatif proses kimia halus terhadap alam sekitar.
Sistem Sintesis Aliran
Prof. Kobayashi telah menumpukan pada sintesis aliran, yang sebelum ini telah digunakan untuk mensintesis sejumlah besar bahan kimia komoditi seperti ammonia, dan beliau sedang menyiasat teknik ini kepada sintesis organik yang lebih kompleks. Sintesis aliran dicapai dengan menyambungkan lajur yang berbeza untuk setiap langkah tindak balas dan menghantar bahan permulaan melaluinya sebagai penyelesaian. Walaupun kaedah kelompok, yang biasanya digunakan dalam sintesis organik biasa, memerlukan banyak tangki tindak balas, sintesis aliran boleh memudahkan proses dan mengurangkan jumlah sisa. Walau bagaimanapun, isu utama dengan sintesis aliran ialah hasil sampingan yang dihasilkan semasa proses aliran tidak dikeluarkan dan dengan itu memberi kesan buruk kepada proses tindak balas itu sendiri. Prof. Kobayashi sedang berusaha untuk mereka bentuk proses tindak balas baharu untuk menghasilkan bahan yang diperlukan tanpa produk sampingan.
Pemangkinan tidak larut menterbalikkan kaedah tradisional
Kunci untuk membangunkan proses yang lebih cekap adalah dengan menggunakan mangkin tidak larut yang sesuai. Biasanya, pemangkin dibubarkan dalam pelarut organik, bersama-sama dengan bahan permulaan, dan dibuang dengan pelarut selepas tindak balas. Prof. Kobayashi telah membangunkan pelbagai pemangkin yang tidak larut tetapi mempunyai kereaktifan yang tinggi. Memandangkan pemulihan dan penggunaan semula pemangkin tidak larut ini adalah mungkin dan pemangkin tesis tidak meresap ke lajur seterusnya, fleksibiliti untuk mereka bentuk proses tindak balas baharu dan gabungan pemangkin dalam aliran telah dipertingkatkan.
Prof. Kobayashi dengan yakin menyatakan bahawa, “Berbanding dengan sintesis kelompok, saiz instrumen adalah sepersepuluh, dan sisa yang dihasilkan untuk sintesis organik hanya seperseratus. Dengan menggunakan peralatan kecil di atas meja anda, anda boleh menghasilkan sebanyak 1 kg produk dalam masa satu jam”.
Pada April 2015, beliau berjaya mensintesis ubat, Rolipram, menggunakan sintesis aliran dengan pemangkin tidak larut yang dibungkus dalam lajur dan laporannya diterbitkan dalam jurnal berprestij, Nature. Dengan menukar hanya satu lajur, isomer optik bertentangan ubat telah disintesis dan ini penting kerana aktiviti optik ubat adalah penting kepada sifat perubatan. Semasa dalam laporan awal, jumlah hasil sebanyak 50% telah dicapai, Prof. Kobayashi mengumumkan bahawa, "Kini selepas satu tahun, hasil telah meningkat kepada lebih daripada 90%, dan masanya telah tiba untuk aplikasi praktikal kaedah ini".
Pembangunan disokong oleh NMR
Untuk pemangkin yang baru dibangunkan, struktur molekul perlu difahami pada peringkat atom untuk menjelaskan mekanisme tindak balas. Walau bagaimanapun, pemangkin yang dibangunkan oleh Prof. Kobayashi sukar untuk dianalisis kerana ia adalah pepejal dan beliau terpaksa mendekati JEOL untuk mendapatkan kepakaran mereka.
Spektroskopi Resonans Magnetik Nuklear (NMR) telah digunakan secara meluas sebagai alat analisis yang biasanya digunakan untuk mengkaji bahan dalam larutan. Memandangkan pemangkin yang dibangunkan oleh Kobayashi tidak larut, teknik NMR khusus yang dikenali sebagai Solution Resolution Magic Angle Spinning (SR-MAS) telah digunakan. Teknik ini telah dibangunkan pada tahun 1997 dan berfungsi dengan memutar sampel dengan pantas pada sudut 54.7 darjah (dipanggil "Sudut Ajaib") dalam medan magnet. Biasanya, interaksi anisotropik mengubah suai tahap tenaga putaran nuklear (dan seterusnya kekerapan resonans) semua tapak dalam molekul, dan boleh menyebabkan meluaskan garisan yang besar dalam spektrum pepejal NMR.
Untuk NMR, instrumen JNM-ECZ600R JEOL serta JNM-ECX600,ECA500, ECX400 juga digunakan.
Dengan berputar cepat sampel pada "Sudut Ajaib", interaksi ini dipuratakan untuk menyekat pelebaran spektrum NMR. Di samping itu, mendorong permukaan mangkin pepejal ke dalam gel boleh meningkatkan pergerakan molekul supaya spektrum yang agak tajam, sama seperti yang diperoleh daripada cecair, boleh diukur. Pada masa ini, varian lanjutan MAS, (FG-MAS, Field Gradient Magic Angle Spinning) terus menyumbang kepada pemahaman tentang pemangkin pepejal berprestasi tinggi.
Pengukuran NMR keadaan pepejal, yang dijalankan oleh kumpulan Kobayashi, telah dijalankan pada instrumen JEOL JNM-ECZ600R.
MICCS
Walau bagaimanapun, untuk mereka bentuk proses tindak balas baru, kaedah untuk mengukur keadaan mangkin dan produk tindak balas dalam masa nyata diperlukan.
Ini dicapai menggunakan peranti MICCS (Micro Channeled Cell for Synthesis monitoring) unik JEOL. Rekaan ini membolehkan pengukuran NMR bagi campuran tindak balas dibuat di dalam probe NMR menggunakan pam picagari individu yang memperkenalkan setiap reagen, dan perubahan struktur molekul di dalam probe boleh dipantau sepanjang tempoh masa.
Prof. Kobayashi menjelaskan bahawa, “Apabila bilangan proses dalam sintesis aliran meningkat, keperluan untuk memerhati reagen dan mangkin dalam masa nyata juga meningkat. Apabila bilangan struktur molekul yang boleh diukur oleh NMR bertambah, kita akan dapat mensintesis sebatian yang lebih kompleks”.
Ke arah keharmonian antara alam sekitar dan kimia
Prof. Kobayashi berhasrat untuk membangunkan lagi kaedah sintesis aliran, dan akan cuba untuk menubuhkan kilang perintis melalui kerjasama antara industri, kerajaan dan universiti. Ini akan membolehkan kumpulan yang berminat untuk mengalami kelebihan sintesis aliran dengan menawarkan penggunaan loji.
Prof. Kobayashi juga sedang berusaha ke arah pembangunan teknologi untuk mengangkut gas hidrogen dengan selamat. Hidrogen, yang sangat mudah terbakar dan mudah meletup, boleh diangkut dengan agak selamat jika ia bertindak balas dengan toluena untuk membentuk bahan yang stabil, metilsikloheksana. Prof. Kobayashi telah cuba membangunkan pemangkin yang dijual untuk mengekstrak hidrogen daripada metilsikloheksana dengan cekap.
"Air adalah satu-satunya perkara yang dihasilkan oleh sel bahan api. Jika kita boleh membangunkan pemangkin yang boleh mengekstrak hidrogen daripada air menggunakan tenaga suria, ia akan menjadi tenaga yang tidak memberi kesan kepada alam sekitar. Saya ingin menyumbang kepada masyarakat bukan sahaja untuk kepentingan alam sekitar tetapi juga untuk kebajikan manusia, kesihatan, dan tenaga, melalui kimia”.