도쿄대학 이과대학 화학과 합성유기화학 연구실(고바야시 연구실)
슈 고바야시 박사
도쿄대학 화학과/이과대학 합성유기화학 연구실 교수.
1987년에는 도쿄이과대학 이과대학 응용화학과 조교수로 재직했다. 다음 해에 그는 박사 학위를 취득했습니다. 도. 1991년에는 같은 기관의 강사로 임명되었다. 1992년에는 부교수로 승진했고, 1998년에는 도쿄대학 약학대학원에서 정교수로 임명되었습니다. 그는 2007년부터 현재의 자리를 지키고 있다.
그는 "탄산염을 이용한 고도의 입체선택적 반응 연구"로 일본화학회로부터 진보상을 수상한 이래로 Arthur C. Cope Scholar Award, Hamilton Award, Humboldt Prize 등 많은 상을 받았습니다.
확립된 유기 합성 방법에 대한 도전 - 고체 상태 NMR에 의해 지원되는 고체 촉매 개발.
도쿄 대학의 슈 고바야시 교수는 환경 친화적인 "녹색 화학"의 선구자입니다. 그는 20년 이상 화학 합성과 그것이 인체와 환경에 미치는 영향을 연구하고 화학 반응에서 에너지와 자원의 소비를 줄이는 방법을 모색해 왔습니다.
과거 연구를 통해 약물 합성을 바꾸는 방법
의약품과 같은 정밀화학제품의 제조는 전통적으로 비효율적이며, 의약품 합성 과정에서 발생하는 폐기물의 양은 생산되는 제품의 양의 20~100배에 달합니다. 따라서 정밀 화학 공정이 환경에 미치는 부정적인 영향을 무시할 수 없습니다.
유동 합성 시스템
Kobayashi 교수는 이전에 암모니아와 같은 다량의 일반 화학물질을 합성하는 데 사용되었던 유동 합성에 초점을 맞추었으며 더 복잡한 유기 합성에 이 기술을 연구하고 있습니다. 유동 합성은 각 반응 단계에 대해 서로 다른 컬럼을 연결하고 출발 물질을 용액으로 통과시켜 이루어집니다. 일반적인 유기 합성에서 일반적으로 사용되는 배치 방식은 많은 반응 탱크를 필요로 하는 반면, 유동 합성은 공정을 단순화하고 폐기물의 양을 크게 줄일 수 있습니다. 그러나 유동 합성의 주요 문제점은 유동 과정에서 발생하는 부산물이 제거되지 않아 반응 과정 자체에 부정적인 영향을 미친다는 점이다. 고바야시 교수는 부산물 없이 필요한 물질을 생산할 수 있는 새로운 반응 공정 설계를 모색하고 있습니다.
전통적인 방법을 뒤집는 불용성 촉매
보다 효율적인 공정 개발의 핵심은 적절한 불용성 촉매를 사용하는 것입니다. 일반적으로 촉매는 출발 물질과 함께 유기 용매에 용해되고 반응 후 용매와 함께 폐기됩니다. 고바야시 교수는 불용성이지만 반응성이 높은 다양한 촉매를 개발했습니다. 이러한 불용성 촉매의 회수 및 재사용이 가능하고 이러한 촉매가 다음 컬럼으로 침출되지 않기 때문에 새로운 반응 공정 및 유동 촉매의 조합을 설계할 수 있는 유연성이 향상되었습니다.
Kobayashi 교수는 “Batch 합성에 비해 장비 크기가 1분의 XNUMX이고 유기 합성에서 발생하는 폐기물은 XNUMX분의 XNUMX에 불과합니다. 책상 위의 작은 장비를 사용하면 XNUMX시간에 XNUMXkg의 제품을 생산할 수 있습니다.”
2015년 50월 불용성 촉매를 컬럼에 충전한 유동합성법을 이용해 롤립프람(Rolipram)이라는 약물을 합성하는 데 성공했고, 그의 보고서는 권위 있는 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다. 하나의 컬럼만 교환하여 약물의 반대 광학 이성질체가 합성되었으며 이는 약물의 광학 활성이 의약 특성에 중요하기 때문에 중요합니다. 초기 보고서에서는 총 90%의 수율을 달성했지만 고바야시 교수는 “XNUMX년이 지난 지금은 수율이 XNUMX% 이상으로 향상되어 이 방법을 실용화할 때가 왔다”고 발표했다.
개발은 NMR에 의해 지원됩니다.
새로 개발된 촉매의 경우 반응 메커니즘을 명확히 하기 위해 분자 구조를 원자 수준에서 이해해야 합니다. 그러나 Kobayashi 교수가 개발한 촉매는 고체이기 때문에 분석이 어려웠고 전문 지식을 얻기 위해 JEOL에 접근해야 했습니다.
핵 자기 공명 분광법(NMR)은 일반적으로 용액에서 물질을 연구하는 데 사용되는 분석 도구로 광범위하게 사용되었습니다. Kobayashi가 개발한 촉매는 불용성이므로 Solution Resolution Magic Angle Spinning(SR-MAS)으로 알려진 특수 NMR 기술이 사용되었습니다. 이 기술은 1997년에 개발되었으며 자기장에서 샘플을 54.7도("매직 앵글"이라고 함)의 각도로 빠르게 회전시켜 작동합니다. 일반적으로 이방성 상호작용은 분자 내 모든 위치의 핵 스핀 에너지 수준(따라서 공명 주파수)을 수정하고 고체의 NMR 스펙트럼에서 상당한 선 확장을 일으킬 수 있습니다.
NMR은 JEOL의 JNM-ECZ600R과 JNM-ECX600,ECA500,ECX400 장비도 사용하고 있다.
"Magic Angle"에서 샘플을 빠르게 회전시키면 이러한 상호 작용이 평균화되어 NMR 스펙트럼이 넓어지는 것을 억제할 수 있습니다. 또한, 고체 촉매의 표면을 겔로 유도함으로써 분자의 움직임을 개선하여 액체에서 얻은 것과 같은 비교적 선명한 스펙트럼을 측정할 수 있습니다. 현재 MAS의 고급 변형(FG-MAS, Field Gradient Magic Angle Spinning)은 고성능 고체 촉매의 이해에 더욱 기여하고 있습니다.
Kobayashi 그룹에서 수행한 고체 상태 NMR 측정은 JEOL JNM-ECZ600R 기기에서 수행되었습니다.
MICCS
그러나 새로운 반응 공정을 설계하기 위해서는 촉매 및 반응 생성물의 상태를 실시간으로 측정할 수 있는 방법이 필요하다.
이것은 JEOL의 고유한 MICCS(합성 모니터링용 MIcro Channeled Cell) 장치를 사용하여 달성되었습니다. 이 장치는 각 시약을 주입하는 개별 주사기 펌프를 사용하여 NMR 프로브 내부에서 반응 혼합물의 NMR 측정을 수행할 수 있게 하고 일정 기간 동안 프로브 내부의 분자 구조 변화를 모니터링할 수 있습니다.
고바야시 교수는 “유동 합성의 공정이 많아질수록 시약과 촉매를 실시간으로 관찰해야 하는 필요성도 높아진다. NMR로 측정할 수 있는 분자 구조의 수가 증가함에 따라 더 복잡한 화합물을 합성할 수 있게 될 것입니다.”
환경과 화학의 조화를 향해
Kobayashi 교수는 유동 합성법을 더욱 발전시키는 것을 목표로 하고 있으며, 산학관 협력을 통해 파일럿 플랜트 설립을 시도할 것입니다. 이를 통해 관심 있는 그룹은 플랜트 사용을 제공함으로써 흐름 합성의 이점을 경험할 수 있습니다.
고바야시 교수는 수소가스를 안전하게 수송하는 기술 개발에도 힘쓰고 있다. 인화성 및 폭발성이 높은 수소는 톨루엔과 반응하여 안정한 물질인 메틸시클로헥산을 형성하면 매우 안전하게 수송될 수 있습니다. 고바야시 교수는 메틸시클로헥산에서 수소를 효율적으로 추출하기 위해 판매된 촉매를 개발하기 위해 노력해 왔다.
“연료전지가 생산하는 유일한 것은 물입니다. 태양에너지를 이용하여 물에서 수소를 추출할 수 있는 촉매를 개발할 수 있다면 환경에 영향을 주지 않는 에너지가 될 것입니다. 화학을 통해 환경뿐만 아니라 인류의 복지와 건강, 에너지를 통해 사회에 공헌하고 싶습니다.”