В погоне за экологически чистой химией: инновации в органическом синтезе при поддержке аналитических приборов
ИНТЕРВЬЮ 06
Шу Кобаяши
Профессор Школы наук Токийского университета
Достижения в области химии принесли огромную пользу обществу и повлияли почти на все аспекты нашей жизни, включая здравоохранение, энергетику, производство продуктов питания и новые материалы. Хотя общество обогатилось благодаря этому прогрессу, производство химических веществ также создало серьезные экологические проблемы, такие как загрязнение и загрязнение окружающей среды. В Токийском университете профессор Шу Кобаяши возглавляет разработку экологически чистой или «зеленой» химии.
Воспроизведение органического синтеза in vivo в колбе
«Я хочу искоренить негативные стороны химии», — говорит профессор Шу Кобаяси из Токийского университета, ведущий исследователь в области «зеленой химии». Зеленая химия относится к новому способу химии, который делает акцент на гармонии с окружающей средой и направлен на сокращение отходов, образующихся в результате синтеза химических веществ, а также на минимизацию потребления энергии, потребления ресурсов и потенциального негативного воздействия химических веществ на организм человека. и окружающая среда. Без сомнения, снижение нагрузки на окружающую среду является одной из важнейших задач 21-го века, и исследования профессора Кобаяши привлекли большое внимание отечественных и международных химических и экологических сообществ.
Профессор Кобаяши считает, что реакции in vivo являются идеальными химическими реакциями. В человеческом теле с помощью ферментов непрерывно происходит бесчисленное количество химических реакций, но растворители, растворяющие вещества в нашем организме, состоят в основном из воды. С другой стороны, химические заводы и лаборатории обычно используют органические растворители, такие как толуол и ацетон, для химического синтеза. Такие растворители представляют большую нагрузку на окружающую среду и опасны для человека, поэтому их всегда следует утилизировать с большой осторожностью. Напротив, отходы, образующиеся в результате биологических реакций, биоразлагаемы и безвредны для окружающей среды. Профессор Кобаяши отмечает, что система in vivo является идеальной моделью экологически безопасного химического завода. Идея воспроизведения этого более идеального органического синтеза в колбе была началом приверженности профессора Кобаяши зеленой химии.
Стабильные катализаторы в воде
Одной из давних тем исследований профессора Кобаяши является органический синтез с использованием воды в качестве альтернативного растворителя. Как правило, сырье для органического синтеза в большинстве своем гидрофобно и не растворяется в воде. Более того, металлические катализаторы, облегчающие органические реакции, часто разлагаются при воздействии воды. Таким образом, в органическом синтезе является нормой тщательное удаление воды из реакционного сосуда перед его использованием. Использование воды в качестве растворителя противоречит общепринятому мнению. Исследование нерастворимых материалов и их реакций, а также разработка катализаторов, не разлагающихся в воде, потребовали беспрецедентных исследований, которые сначала привели к череде неудач.
«Многие синтетические химики-органики заинтересованы в создании новых соединений, а не в каталитических структурах и механизмах реакций. Мой интерес был прямо противоположным. Я хотел понять структуру катализатора и механизмы реакции. Я считал, что это позволит мне найти способы использования воды в качестве альтернативного растворителя для органических реакций».
После долгих проб и ошибок профессор Кобаяши обнаружил, что катализатор, состоящий из катализатора типа кислоты Льюиса, называемого «редкоземельным трифлатом», и поверхностно-активного вещества, позволяет протекать органическим реакциям с водой в качестве растворителя. Трифлаты редкоземельных элементов являются исключительными катализаторами кислот Льюиса, которые не нейтрализуются в воде. Хотя трифлаты редкоземельных элементов менее активны в воде, в сочетании с поверхностно-активным веществом они инкапсулируют молекулы сырья так же, как молекулы мыла улавливают грязь. Это заставляет реакции между катализатором и сырьем происходить в инкапсулированном микропространстве, что приводит к высокой реакционной способности. Кроме того, катализатор на основе кислоты Льюиса можно регенерировать и использовать повторно после синтеза, поскольку он нерастворим в воде.
Спустя двадцать пять лет после своего первоначального открытия профессор Кобаяши исследовал катализаторы, эффективно работающие в воде. Следовательно, около 20% основных реакций, используемых сегодня в органическом синтезе, могут протекать в водной среде.
«Цифра 20% может показаться низкой, но это результат того, что мы сосредоточили наши усилия на реакциях, которые имеют наибольшую ценность, но которые трудно выполнить. Это прояснило механизмы каталитических реакций, поэтому ожидается быстрое ускорение исследований в этой области», — с уверенностью говорит профессор Кобаяши.
Фармацевтическая фабрика на столе
Профессор Кобаяши объясняет систему синтеза потока. Практическое применение «Фабрики на столе» уже не за горами.
Исследования профессора Кобаяши вступили в следующую стадию: органический синтез посредством проточного синтеза. Поточный синтез — это метод, который позволяет синтезировать целевое вещество, просто заливая сырье в проточную систему, состоящую из разных колонок, отвечающих за отдельные реакции.
Хотя этот метод уже давно используется в массовом производстве основных химических веществ, таких как производство аммиака, считалось, что он неэффективен для сложного химического производства, такого как фармацевтический синтез. Это связано с неэффективностью органических превращений и загрязнением побочных продуктов, что может негативно повлиять на последующие реакции в многостадийном проточном синтезе.
Поэтому в области тонкого химического синтеза для фармацевтических и косметических продуктов часто используются периодические системы, в которых промежуточные материалы очищаются после каждого реакционного процесса, а затем помещаются в другой резервуар с различными катализаторами для дальнейших реакций. Однако в конце каждого процесса периодические системы производят значительное количество отходов, полученных из органических растворителей и последующей обработки. Количество производимых отходов в 20-100 раз превышает количество произведенного лекарства, что является довольно значительным с точки зрения воздействия на окружающую среду. Будучи сторонником зеленой химии, профессор Кобаяши хотел разработать способ устранения этих отходов.
Цель состояла в том, чтобы определить, как разработать процесс реакции и необходимые катализаторы, которые могут производить желаемое вещество без образования побочных продуктов.
Результаты многолетних исследований профессора Кобаяши в области твердых катализаторов, нерастворимых в растворителях, также изменили ситуацию в этом отношении. Твердые катализаторы подходят для проточного синтеза, поскольку твердый катализатор, упакованный в колонку, не будет перетекать в следующую колонку. Следовательно, твердые катализаторы увеличивают свободу проектирования реакционных процессов и комбинаций катализаторов. Кроме того, поскольку для проточного синтеза требуются только колонны, трубки и насос, проточная система составляет лишь одну десятую размера системы периодического синтеза и производит только одну сотую количества отходов, необходимого для органического синтеза. Профессор Кобаяши объясняет: «У вас на столе может быть фармацевтическая фабрика. И он будет способен производить целевое вещество со скоростью 1 кг в час».
В апреле 2015 года профессор Кобаяши успешно изготовил «ролипрам» — лекарственный компонент, уменьшающий воспаление. Его соответствующее исследование было опубликовано в научном журнале Nature. Исследование показало, что разные энантиомеры, которые являются зеркальным отражением друг друга и могут иметь разные лечебные свойства, могут быть получены путем простой замены одной из колонок и могут привести к высокоэффективному производству, при котором 50% сырья превращается в лекарство. материал.
«Эффективность производства сейчас превышает 90%. Настало время подумать о практических приложениях». он говорит.
Увидеть то, что никто никогда не видел
Хотя ожидания успеха в фармацевтической и других химических отраслях в последнее время возросли, компания JEOL долгое время поддерживала исследования профессора Кобаяши.
Трансмиссионный электронный микроскоп (ПЭМ) является важным инструментом для наблюдения за поверхностью катализатора в зависимости от времени. JEOL предоставил профессору Кобаяши TEM, а также высококвалифицированного техника для поддержки его исследований.
Для исследований по выявлению механизмов каталитических реакций использовали спектрометр ядерного магнитного резонанса (ЯМР), предназначенный для анализа молекулярных структур веществ на атомарном уровне. Хотя вещества можно более эффективно измерять в растворе, катализаторы, с которыми работает профессор Кобаяши, являются твердыми и нерастворимыми в воде. На ранних этапах своих исследований ему не хватало эффективных средств для анализа своих катализаторов, но в 1997 году JEOL совместно разработал аналитический метод и программное обеспечение, которые соответствовали его требованиям, тем самым поддержав его исследования в области синтетической органической химии. Сегодня усовершенствованная версия этого программного обеспечения способствует разработке высокоэффективных катализаторов.
Недавно был приобретен ЯМР-спектрометр для твердых образцов JNM-ECZ600R, который будет использоваться для анализа новых катализаторов, которые реагируют в твердом состоянии без необходимости использования воды или органических растворителей.
Электронные микроскопы необходимы для оценки структуры поверхности катализатора.
DART-MS от JEOL также используется в лаборатории профессора Кобаяши.
Химия для улучшения общества
Чтобы повысить осведомленность о синтезе потока, профессор Кобаяши в настоящее время разрабатывает пилотную программу для промышленности, правительства и научных кругов по строительству завода, который открыт для компаний, заинтересованных в этом методе, для практической демонстрации преимуществ систем потока.
Кроме того, профессор Кобаяши изучает разработку технологий безопасной транспортировки газообразного водорода в рамках подготовки к созданию «водородного общества». Хотя газообразный водород легко воспламеняется и взрывоопасен, его можно стабилизировать и безопасно транспортировать, если он химически связан с толуолом с образованием метилциклогексана. Таким образом, профессор Кобаяши работает над разработкой катализатора, который может эффективно извлекать водород из метилциклогексана.
Он говорит: «Я думаю, что важно взаимодействовать с обществом, а не постоянно учиться и оставаться в академических кругах. Через химию я хочу внести свой вклад не только в защиту окружающей среды, но и в благополучие людей, здоровье и проблему энергетики».
Шу Кобаяши
Профессор Школы наук Токийского университета
После ухода из докторантуры Школы наук Токийского университета без завершения он стал доцентом в 1987 году на кафедре прикладной химии Токийского университета наук, а затем получил докторскую степень в 1988 году. Он стал лектором. на факультете естественных наук того же университета в 1991 г., затем в 1992 г. получил звание доцента, а в 1998 г. занял должность профессора Высшей школы фармацевтических наук Токийского университета. Он занимает свою нынешнюю должность с 2007 года. В 1991 году он получил премию Химического общества Японии для молодых химиков в знак признания «Исследования высокостереоселективных реакций с использованием карбокатионов», а впоследствии получил множество престижных международных наград, включая премию Артура С. Премия Cope Scholar Award, премия CS Hamilton и премия Humboldt Research Award.
Время публикации: ноябрь 2016 г.