Dalam Mengejar Kimia Mesra Alam: Inovasi dalam Sintesis Organik Disokong oleh Instrumen Analitik
TEMUDUGA 06
Shū Kobayashi
Profesor, Pusat Pengajian Sains, Universiti Tokyo
Kemajuan dalam kimia telah membawa kepada manfaat yang besar kepada masyarakat dan telah memberi kesan kepada hampir setiap aspek kehidupan kita, termasuk penjagaan kesihatan, tenaga, pengeluaran makanan dan bahan baharu. Walaupun masyarakat telah diperkaya dengan kemajuan ini, pengeluaran bahan kimia juga telah menimbulkan isu alam sekitar yang serius, seperti pencemaran dan pencemaran alam sekitar. Di Universiti Tokyo, Profesor Shū Kobayashi menerajui cara untuk membangunkan kimia mesra alam atau "Hijau".
Menghasilkan Semula Sintesis Organik Dalam Vivo dalam Kelalang
"Saya mahu menghapuskan aspek negatif kimia," kata Profesor Shū Kobayashi dari Universiti Tokyo, seorang penyelidik terkemuka dalam bidang "kimia hijau." Kimia hijau merujuk kepada mod kimia baharu yang memberi penekanan kepada keharmonian dengan alam sekitar dan bertujuan untuk mengurangkan sisa yang dihasilkan melalui sintesis bahan kimia dan untuk meminimumkan penggunaan tenaga, penggunaan sumber, dan potensi kesan negatif bahan kimia terhadap tubuh manusia. dan persekitaran. Tanpa persoalan, mengurangkan beban alam sekitar adalah salah satu cabaran kritikal abad ke-21 dan penyelidikan Profesor Kobayashi telah menarik banyak perhatian daripada komuniti kimia dan alam sekitar domestik dan antarabangsa.
Profesor Kobayashi percaya bahawa tindak balas in vivo adalah tindak balas kimia yang ideal. Dalam tubuh manusia, sejumlah besar tindak balas kimia berlaku tanpa henti dengan bantuan enzim, tetapi pelarut yang melarutkan bahan dalam badan kita terdiri terutamanya daripada air. Sebaliknya, kilang dan makmal kimia biasanya menggunakan pelarut organik, seperti toluena dan aseton, untuk sintesis kimia. Pelarut sedemikian menimbulkan beban alam sekitar yang tinggi dan berbahaya kepada manusia, dan mesti sentiasa dilupuskan dengan berhati-hati. Sebaliknya, sisa yang dihasilkan daripada tindak balas biologi boleh terbiodegradasi dan tidak berbahaya kepada alam sekitar. Profesor Kobayashi menegaskan bahawa sistem in vivo adalah model ideal untuk loji kimia yang serasi dengan alam sekitar. Konsep mereplikasi sintesis organik yang lebih ideal ini dalam kelalang adalah permulaan komitmen Profesor Kobayashi terhadap kimia hijau.
Pemangkin Stabil dalam Air
Salah satu tema penyelidikan Profesor Kobayashi yang telah lama wujud ialah sintesis organik menggunakan air sebagai pelarut alternatif. Secara amnya, bahan mentah untuk sintesis organik kebanyakannya hidrofobik dan tidak larut dalam air. Selain itu, pemangkin logam yang memudahkan tindak balas organik sering terurai apabila terdedah kepada air. Oleh itu, adalah menjadi kebiasaan dalam sintesis organik untuk menghapuskan air secara menyeluruh daripada bekas tindak balas sebelum digunakan. Menggunakan air sebagai pelarut bertentangan dengan kebijaksanaan konvensional. Penerokaan bahan tidak larut dan tindak balasnya, dan pembangunan pemangkin yang tidak terurai dalam air, memerlukan penyelidikan yang belum pernah berlaku sebelum ini yang pada mulanya mengakibatkan kegagalan berturut-turut.
“Ramai ahli kimia organik sintetik berminat dalam penciptaan sebatian baharu dan bukannya struktur pemangkin dan mekanisme tindak balas. Minat saya adalah sebaliknya. Saya ingin memahami struktur pemangkin dan mekanisme tindak balas. Saya percaya bahawa ini akan membolehkan saya mencari cara untuk menggunakan air sebagai pelarut alternatif untuk tindak balas organik."
Selepas banyak percubaan dan kesilapan, Profesor Kobayashi mendapati bahawa pemangkin yang terdiri daripada sejenis mangkin asid Lewis yang dipanggil "triflate nadir bumi" dan surfaktan akan membolehkan tindak balas organik berlaku dengan air sebagai pelarut. Triflat nadir bumi ialah pemangkin asid Lewis yang luar biasa yang tidak dineutralkan dalam air. Walaupun triflat nadir bumi kurang reaktif dalam air, apabila ia digabungkan dengan surfaktan, ia membungkus molekul bahan mentah sama seperti molekul sabun memerangkap kotoran. Ini menjadikan tindak balas antara mangkin dan bahan mentah berlaku dalam ruang mikro terkapsul, yang membawa kepada kereaktifan yang tinggi. Tambahan pula, mangkin asid Lewis boleh dipulihkan dan dikitar semula selepas sintesis kerana ia tidak larut dalam air.
Dua puluh lima tahun selepas penemuan awalnya, Profesor Kobayashi telah meneroka pemangkin yang berfungsi dengan berkesan dalam air. Akibatnya, kira-kira 20% daripada tindak balas asas yang digunakan untuk sintesis organik hari ini boleh berlaku dalam media akueus.
“Angka 20% mungkin kedengaran rendah, tetapi ia adalah hasil daripada memfokuskan usaha kami pada reaksi yang mempunyai nilai tertinggi tetapi sukar dilakukan. Ini telah menjelaskan mekanisme tindak balas pemangkin, jadi penyelidikan dalam bidang ini dijangka akan dipercepatkan dengan pantas, "kata Profesor Kobayashi dengan yakin.
Sebuah Kilang Farmaseutikal di atas Meja
Profesor Kobayashi menerangkan sistem sintesis aliran. Aplikasi praktikal "Kilang farmaseutikal di atas meja" kini hampir tiba.
Penyelidikan Profesor Kobayashi telah memasuki peringkat seterusnya: sintesis organik melalui sintesis aliran. Sintesis aliran ialah teknik yang membolehkan sintesis bahan yang dimaksudkan berlaku dengan hanya menuangkan bahan mentah ke dalam sistem aliran yang terdiri daripada lajur berbeza yang bertanggungjawab untuk tindak balas individu.
Walaupun teknik ini telah lama digunakan dalam pengeluaran pukal bahan kimia asas, seperti pengeluaran ammonia, ia dianggap tidak berkesan untuk pengeluaran kimia yang kompleks, seperti sintesis farmaseutikal. Ini disebabkan oleh ketidakcekapan transformasi organik dan pencemaran produk sampingan, yang mungkin mempengaruhi tindak balas seterusnya secara negatif dalam sintesis aliran berbilang langkah.
Oleh itu, dalam bidang sintesis kimia halus untuk produk farmaseutikal dan kosmetik, sistem kelompok sering digunakan, di mana bahan perantaraan disucikan selepas setiap proses tindak balas dan kemudian dimasukkan ke dalam tangki yang berbeza dengan pemangkin yang berbeza untuk tindak balas selanjutnya. Walau bagaimanapun, pada akhir setiap proses, sistem kelompok menghasilkan sejumlah besar sisa yang diperoleh daripada pelarut organik dan pasca pemprosesan. Jumlah sisa yang dihasilkan adalah 20 hingga 100 kali lebih besar daripada kuantiti ubat yang dihasilkan, yang agak besar dari segi kesan alam sekitar. Sebagai penyokong kimia hijau, Profesor Kobayashi ingin membangunkan cara untuk menghapuskan sisa ini.
Objektifnya adalah untuk menentukan cara mereka bentuk proses tindak balas dan pemangkin yang diperlukan yang boleh menghasilkan bahan yang dimaksudkan tanpa menghasilkan sisa produk sampingan.
Hasil penyelidikan lama Profesor Kobayashi dalam mangkin pepejal yang tidak larut dalam pelarut juga telah membuat perbezaan dalam hal ini. Pemangkin pepejal sesuai untuk sintesis aliran kerana mangkin pepejal yang dibungkus dalam lajur tidak akan mengalir ke lajur seterusnya. Oleh itu, mangkin pepejal meningkatkan kebebasan reka bentuk proses tindak balas dan gabungan pemangkin. Tambahan pula, kerana hanya lajur, tiub, dan pam diperlukan untuk sintesis aliran, sistem aliran hanya sepersepuluh saiz sistem sintesis kelompok dan hanya menghasilkan seperseratus jumlah sisa yang diperlukan untuk sintesis organik. Profesor Kobayashi menerangkan, "Anda boleh mempunyai kilang farmaseutikal di atas meja anda. Dan ia akan mampu menghasilkan bahan yang dimaksudkan pada kadar 1 kg sejam.
Pada April 2015, Profesor Kobayashi berjaya menghasilkan "rolipram," komponen ubat yang mengurangkan keradangan. Kajian sepadannya diterbitkan dalam jurnal saintifik Nature. Kajian itu menunjukkan bahawa enantiomer yang berbeza, yang merupakan imej cermin antara satu sama lain dan boleh mempunyai sifat perubatan yang berbeza, kedua-duanya boleh dihasilkan dengan hanya menggantikan salah satu lajur dan boleh menghasilkan pengeluaran yang sangat cekap dengan 50% daripada bahan mentah ditukar menjadi ubat. bahan.
“Kecekapan pengeluaran kini melebihi 90%. Inilah masanya untuk mempertimbangkan aplikasi praktikal.” dia cakap.
Lihat Apa Yang Belum Pernah Dilihat
Walaupun jangkaan kejayaan baru-baru ini dinaikkan dalam industri farmaseutikal dan kimia lain, JEOL telah lama menyokong penyelidikan Profesor Kobayashi.
Mikroskop Elektron Penghantaran (TEM) ialah alat penting untuk pemerhatian berasaskan masa permukaan mangkin. JEOL menyediakan Profesor Kobayashi dengan TEM, serta seorang juruteknik yang sangat berpengalaman, untuk menyokong penyelidikannya.
Untuk kajian untuk mendedahkan mekanisme tindak balas pemangkin, spektrometer Resonans Magnetik Nuklear (NMR) yang direka untuk menganalisis struktur molekul bahan pada peringkat atom telah digunakan. Walaupun bahan boleh diukur dengan lebih berkesan dalam larutan, pemangkin yang digunakan oleh Profesor Kobayashi adalah pepejal dan tidak larut dalam air. Pada peringkat awal penyelidikannya, beliau tidak mempunyai cara yang berkesan untuk menganalisis pemangkinnya, tetapi pada tahun 1997, JEOL membangunkan bersama kaedah dan perisian analisis yang memenuhi keperluannya, sekali gus memberikan sokongan untuk penyelidikan kimia organik sintetiknya. Hari ini versi perisian yang telah berkembang menyumbang kepada pembangunan pemangkin prestasi tinggi.
Baru-baru ini, spektrometer NMR untuk sampel pepejal, JNM-ECZ600R, telah dibeli dan akan digunakan untuk menganalisis pemangkin baharu yang bertindak balas dalam keadaan pepejal tanpa memerlukan sama ada air atau pelarut organik.
Mikroskop elektron adalah penting untuk menilai struktur permukaan pemangkin.
DART-MS JEOL juga digunakan di makmal Profesor Kobayashi.
Kimia untuk Menjadikan Masyarakat yang Lebih Baik
Untuk meningkatkan kesedaran tentang sintesis aliran, Profesor Kobayashi kini sedang membangunkan program perintis industri-kerajaan-akademik untuk membina kilang yang terbuka kepada syarikat yang berminat dengan teknik ini untuk demonstrasi langsung tentang kelebihan sistem aliran.
Tambahan pula, Profesor Kobayashi sedang menyiasat pembangunan teknologi untuk mengangkut gas hidrogen dengan selamat sebagai persediaan untuk merealisasikan "masyarakat hidrogen". Walaupun gas hidrogen sangat mudah terbakar dan mudah meletup, ia boleh distabilkan dan diangkut dengan selamat apabila ia terikat secara kimia dengan toluena untuk membentuk metilsikloheksana. Oleh itu, Profesor Kobayashi sedang berusaha ke arah pembangunan pemangkin yang boleh mengekstrak hidrogen daripada metilsikloheksana dengan cekap.
Dia berkata, "Saya fikir adalah penting untuk berinteraksi dengan masyarakat daripada sentiasa belajar dan kekal dalam bidang akademik. Melalui kimia, saya mahu menyumbang bukan sahaja kepada alam sekitar tetapi juga kepada kebajikan manusia, kesihatan dan masalah tenaga.”
Shū Kobayashi
Profesor, Pusat Pengajian Sains, Universiti Tokyo
Selepas menarik diri daripada kursus kedoktoran The University of Tokyo's School of Science tanpa tamat, beliau menjadi penolong profesor pada tahun 1987 di Jabatan Kimia Gunaan di Universiti Sains Tokyo dan kemudian menerima Ijazah Kedoktoran Sains pada tahun 1988. Beliau menjadi pensyarah di Fakulti Sains di universiti yang sama pada tahun 1991, dan kemudian dinaikkan pangkat sebagai profesor madya pada tahun 1992, sebelum menerima jawatan sebagai profesor pada tahun 1998 di Sekolah Siswazah Sains Farmaseutikal di Universiti Tokyo. Beliau telah berada di kedudukan sekarang sejak 2007. Pada tahun 1991, beliau menerima Anugerah Persatuan Kimia Jepun untuk Ahli Kimia Muda sebagai pengiktirafan terhadap "Kajian tindak balas stereoselektif tinggi menggunakan spesies karbokation" dan seterusnya menerima pelbagai anugerah antarabangsa berprestij termasuk Arthur C Anugerah Cope Scholar, Anugerah CS Hamilton dan Anugerah Penyelidikan Humboldt.
Disiarkan: November 2016