Лаборатория синтетической органической химии (лаборатория Кобаяси), химический факультет, Школа естественных наук, Токийский университет
Доктор Сю Кобаяси
Профессор лаборатории синтетической органической химии химического факультета/школы естественных наук Токийского университета.
В 1987 году стал младшим профессором кафедры прикладной химии Школы наук Токийского научного университета. В следующем году получил докторскую степень. В 1991 г. был назначен преподавателем. В 1992 г. получил звание доцента, а в 1998 г. — звание профессора Высшей школы фармацевтических наук Токийского университета. Свою нынешнюю должность доктор Кобаяси занимает с 2007 года.
Помимо награды Progress Award от Химического общества Японии за «Исследование высокостереоселективных реакций с использованием карбокатионов» доктору Кобаяси было присвоено множество наград, в том числе премия имени ученого Артура Коупа, премия Гамильтона и премия Гумбольдта.
Прорывной метод органического синтеза – разработка твердых катализаторов с помощью ЯМР-спектроскопии твердого тела.
Профессор Сю Кобаяси из Токийского университета является пионером экологически чистой «зеленой химии». Более 20 лет занимается изучением химического синтеза и его влияния на организм человека и окружающую среду, ищет пути снижения потребления энергии и ресурсов в химических реакциях.
Новая методика синтеза лекарств на базе прошлого опыта
Производство лекарств и других тонких химикатов традиционно неэффективно: объем отходов, образующихся при синтезе, в 20-100 раз превышает объем итогового продукта. В результате, окружающей среде наносится серьезный урон.
Система поточного синтеза
Решение проблемы профессор Кобаяси видит в применении проточного синтеза, который ранее использовался для синтеза больших количеств стандартных химикатов (например, аммиака). Он исследует этот метод в контексте более сложных органических синтезов. Проточный синтез работает за счет объединения трубок, предназначенных для разных стадий реакции. Для осуществления реакции достаточно пропустить через трубки исходные материалы в виде раствора. Синтез периодического действия, который, как правило, используется в типичном органическом синтезе, требует большого количества реакционных резервуаров; проточный синтез же может упростить процесс и значительно уменьшить количество отходов. Основная проблема проточного синтеза заключается в том, что побочные продукты, образующиеся во время проточного процесса, никак не удаляются и оказывают негативное влияние на весь процесс реакции. Проф. Кобаяси стремится выстроить реакционный процесс, который позволил бы получить необходимое вещество без образования побочных продуктов.
Нерастворимый катализ: революционный метод
Ключ к оптимизации процессов синтеза — нерастворимый катализатор. Обычно катализаторы растворяют в органическом растворителе вместе с исходными материалами и утилизируют в составе растворителя после реакции. Профессор Кобаяси разработал ряд высокоэффективных нерастворимых катализаторов. Поскольку его нерастворимые катализаторы восстанавливаются и годятся для повторного использования, а также не вымываются в следующую трубку, можно гибче подходить в разработке реакционных процессов и комбинированию катализаторов в потоке.
Профессор Кобаяси заявил, что «если сравнивать с синтезом периодического действия, оборудование для проточного синтеза меньше в десять раз, объем отходов — меньше в сто раз. С помощью небольшого прибора на вашем столе вы сможете производить до 1 кг продукта в час».
В апреле 2015 г. методом проточного синтеза с нерастворимыми катализаторами профессор Кобаяси сумел синтезировать противовоспалительный препарат Rolipram. Отчет был опубликован в престижном журнале Nature. Путем замены всего лишь одной трубки удалось не только идентифицировать энантиомеры, но и обратить в лекарство 50% исходных компонентов. Год спустя профессор объявил, что «теперь, когда выход реакции вырос до более чем 90%, настало время применять этот метод на практике».
Исследование катализаторов с помощью ЯМР
Чтобы смоделировать механизм будущей реакции, необходимо изучить структуру нового катализатора на атомном уровне . Однако разработанные профессором Кобаяси катализаторы представляют собой твердые вещества, и анализировать их непросто. По этой причине профессор обратился в JEOL с предложением сотрудничества.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) широко применяется для изучения материалов в растворе. Поскольку катализаторы, созданные проф. Кобаяси, нерастворимы, был использован метод ЯМР, известный под названием Solution Resolution Magic Angle Spinning (SR-MAS). Разработанный в 1997 г., этот метод состоит в быстром вращении образца под углом 54.7 градуса (т. н. «магический угол») в магнитном поле. Обычно анизотропные взаимодействия изменяют энергетические уровни спина ядра (и, следовательно, резонансную частоту) по всей молекуле и могут вызывать значительное уширение линий на спектрах ЯМР твердых тел.
Для ЯМР также используются приборы JNM-ECZ600R от JEOL, а также JNM-ECX600, ECA500, ECX400.
При быстром вращении образца под «магическим углом» эти взаимодействия усредняются, в результате чего удается подавить уширение спектров. Превращение поверхности твердого катализатора в гель также способствует интенсификации движения молекул и помогает получить относительно более четкие спектры, подобные спектрам от жидкостей. Сейчас в развитие исследований твердотельных катализаторов вносит вклад усовершенствованный вариант MAS — FG-MAS, Field Gradient Magic Angle Spinning.
ЯМР-измерения катализаторов группы Кобаяси проводились на приборе JEOL JNM-ECZ600R.
MICCS
В то же время для прорабоки новых реакционных процессов необходимо оценивать состояние катализатора и продуктов реакции в режиме реального времени.
Это стало возможным благодаря уникальному устройству JEOL MICCS (MIcro Channeled Cell for Synthesis Monitoring). MICCS позволяет проводить ЯМР-измерения реакционной смеси внутри ЯМР-зонда за счет использования отдельных шприцевых насосов, через которые вводят каждый из реагентов. Таким образом можно отслеживать изменения молекулярных структур внутри зонда в течение конкретного периода времени.
Как пояснил проф. Кобаяси, «по мере роста числа процессов в проточном синтезе возрастает необходимость наблюдения за реагентами и катализатором в режиме реального времени. С увеличением количества молекулярных структур, измеряемых с помощью ЯМР, мы сможем синтезировать более сложные соединения».
К гармонии между химическим производством и окружающей средой
С целью развития проточного синтеза проф. Кобаяси инициировал пилотный проект в сотрудничестве промышленными кругами, правительством и университетами. Цель проекта: позволить всем желающим испытать метод органического синтеза и оценить его преимущества.
Также проф. Кобаяси работает над разработкой технологии безопасной транспортировки газообразного водорода. Водород — легковоспламеняющееся и взрывоопасное вещество — можно безопасно транспортировать, если предварительно дать ему прореагировать с толуолом и получить стабильное вещество, метилциклогексан. Профессор создает катализатор, позволяющий обратно выделить водород из метилциклогексана.
«Вода — это единственное, что производит топливный элемент. Если мы сможем разработать катализатор, который при помощи солнечной энергии сможет извлекать из воды водород, то получим энергию, не влияющую на окружающую среду. Как химик я стремлюсь внести свою лепту в развитие общества не только ради окружающей среды, но и во имя благополучия людей, здоровья и энергетики».