환경 친화적인 화학을 추구: 분석 기기가 지원하는 유기 합성의 혁신

인터뷰 06

고바야시 슈
도쿄대학 이학부 교수

화학의 발전은 사회에 엄청난 이익을 가져다주었고 의료, 에너지, 식품 생산 및 신소재를 포함하여 우리 삶의 거의 모든 측면에 영향을 미쳤습니다. 이러한 진보로 사회는 풍요로워졌지만 화학 물질의 생산은 또한 오염 및 환경 오염과 같은 심각한 환경 문제를 야기했습니다. 도쿄 대학의 Shū Kobayashi 교수는 환경 친화적 또는 "녹색" 화학을 개발하는 방법을 선도하고 있습니다.

플라스크에서 생체 내 유기 합성 재생

"나는 화학의 부정적인 측면을 근절하고 싶다"고 "녹색 화학" 분야의 선도적인 연구원인 도쿄 대학의 슈 고바야시 교수는 말합니다. Green chemistry는 환경과의 조화를 중시하고 화학물질의 합성을 통해 발생하는 폐기물을 줄이고 에너지 소비, 자원 소비 및 화학물질이 인체에 미치는 잠재적인 부정적인 영향을 최소화하는 것을 목표로 하는 새로운 화학 방식을 의미합니다. 그리고 환경. 의심의 여지 없이 환경 부담을 줄이는 것은 21세기의 중요한 과제 중 하나이며 고바야시 교수의 연구는 국내외 화학 및 환경 커뮤니티에서 많은 관심을 받았습니다.

고바야시 교수는 생체 내 반응이 이상적인 화학 반응이라고 생각합니다. 인체에서는 효소의 도움으로 수많은 화학반응이 끊임없이 일어나지만, 우리 몸에서 물질을 녹이는 용매는 주로 물이다. 반면에 화학 공장과 실험실에서는 일반적으로 화학 합성을 위해 톨루엔 및 아세톤과 같은 유기 용매를 사용합니다. 이러한 용매는 환경 부담이 크고 인체에 유해하므로 항상 주의하여 폐기해야 합니다. 이에 반해 생물학적 반응에서 발생하는 폐기물은 생분해성이며 환경에 무해하다. Kobayashi 교수는 생체 내 시스템이 환경 친화적인 화학 공장의 이상적인 모델이라고 지적합니다. 플라스크에서 이 더 이상적인 유기 합성을 복제한다는 개념은 녹색 화학에 대한 고바야시 교수의 약속의 시작이었습니다.

물에서 안정한 촉매

Kobayashi 교수의 오랜 연구 주제 중 하나는 대체 용매로 물을 사용하는 유기 합성입니다. 일반적으로 유기합성 원료는 대부분 소수성이고 물에 녹지 않는다. 또한, 유기 반응을 촉진하는 금속 촉매는 물에 노출되면 종종 분해됩니다. 따라서 유기 합성에서는 사용 전에 반응 용기에서 물을 완전히 제거하는 것이 일반적입니다. 물을 용매로 사용하는 것은 기존의 통념에 어긋납니다. 불용성 물질과 그 반응의 탐구, 물에서 분해되지 않는 촉매의 개발은 초기에 일련의 실패를 초래한 전례 없는 연구가 필요했습니다.

“많은 합성 유기 화학자들은 촉매 구조와 반응 메커니즘보다 새로운 화합물의 생성에 관심이 있습니다. 나의 관심은 정반대였다. 촉매 구조와 반응 메커니즘을 이해하고 싶었습니다. 나는 이것이 내가 유기 반응을 위한 대체 용매로 물을 사용하는 방법을 찾을 수 있게 해줄 것이라고 믿었습니다.”

고바야시 교수는 많은 시행착오 끝에 '희토류 트리플레이트'라고 불리는 일종의 루이스산 촉매와 계면활성제로 구성된 촉매가 물을 용매로 하여 유기 반응을 일으킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 희토류 트리플레이트는 물에서 중화되지 않는 탁월한 루이스 산 촉매입니다. 희토류 트리플레이트는 물에서 덜 반응성이지만 계면활성제와 결합하면 비누 분자가 흙을 가두는 것처럼 원료 분자를 캡슐화합니다. 이것은 촉매와 원료 사이의 반응이 캡슐화된 미세 공간 내에서 일어나도록 하여 높은 반응성으로 이어집니다. 또한 루이스산 촉매는 물에 녹지 않기 때문에 합성 후 회수 및 재활용이 가능하다.

처음 발견한 지 20년 후, 고바야시 교수는 물에서 효과적으로 작용하는 촉매를 탐구했습니다. 결과적으로 오늘날 유기 합성에 사용되는 기본 반응의 약 XNUMX%가 수성 매질에서 일어날 수 있습니다.

“20%라는 수치가 작게 들릴 수도 있지만, 가장 가치가 높으면서도 실행하기 어려운 리액션에 집중한 결과다. 이를 통해 촉매 반응 메커니즘이 명확해졌기 때문에 이 분야의 연구가 빠르게 가속화될 것으로 기대된다”고 고바야시 교수가 자신 있게 말했다.

책상 위 제약 공장

목적은 폐기물 부산물을 생성하지 않고 의도된 물질을 생성할 수 있는 반응 공정 및 필요한 촉매를 설계하는 방법을 결정하는 것이었습니다.

용매에 불용성인 고체 촉매에 대한 Kobayashi 교수의 오랜 연구 결과도 이와 관련하여 차이를 만들었습니다. 고체 촉매는 컬럼에 채워진 고체 촉매가 다음 컬럼으로 흐르지 않기 때문에 유동 합성에 적합합니다. 따라서 고체 촉매는 반응 공정 설계의 자유도와 촉매 조합의 자유도를 높입니다. 또한, Flow 합성에는 컬럼, 튜브, 펌프만 필요하기 때문에 Flow 시스템은 배치 합성 시스템의 1분의 XNUMX 크기에 불과하며 유기 합성에 필요한 폐기물의 XNUMX분의 XNUMX만 생성합니다. 고바야시 교수는 “책상 위에 제약 공장이 있을 수 있다. 그리고 시간당 XNUMXkg의 속도로 원하는 물질을 생산할 수 있을 것”이라고 말했다.
2015년 50월 고바야시 교수는 염증을 감소시키는 약물 성분인 '롤립프람'을 성공적으로 생산했습니다. 그의 해당 연구는 과학 저널 네이처에 게재되었습니다. 이 연구는 서로 거울상이고 서로 다른 의약 특성을 가질 수 있는 서로 다른 거울상 이성질체를 모두 컬럼 중 하나를 교체하는 것만으로 생산할 수 있으며 원료의 XNUMX%가 약물로 전환되는 고효율 생산을 초래할 수 있음을 보여주었습니다. 재료.
“생산 효율성은 이제 90% 이상입니다. 실용화 방안을 고민해야 할 때”라고 말했다. 그는 말한다.

아무도 본 적이 없는 것을 보십시오

최근 제약 및 기타 화학 산업에서 성공에 대한 기대가 높아지고 있지만 JEOL은 오랫동안 고바야시 교수의 연구를 지원해 왔습니다.
투과 전자 현미경(TEM)은 촉매 표면의 시간 기반 관찰에 필수적인 도구입니다. JEOL은 Kobayashi 교수의 연구를 지원하기 위해 고도로 숙련된 기술자와 TEM을 제공했습니다.

촉매 반응 메커니즘을 밝히기 위한 연구를 위해 원자 수준에서 물질의 분자 구조를 분석하도록 설계된 NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 분광기가 사용되었습니다. 용액에서 물질을 더 효과적으로 측정할 수 있지만 고바야시 교수가 연구한 촉매는 고체이며 물에 녹지 않습니다. 연구 초기에는 촉매를 분석할 효과적인 수단이 없었지만 1997년 JEOL은 그의 요구 사항을 충족하는 분석 방법과 소프트웨어를 공동 개발하여 합성 유기 화학 연구를 지원했습니다. 오늘날 그 소프트웨어의 진화된 버전은 고성능 촉매 개발에 기여하고 있습니다.
최근에 고체 시료용 NMR 분광계인 JNM-ECZ600R을 구입하여 물이나 유기 용매 없이 고체 상태에서 반응하는 새로운 촉매를 분석하는 데 사용할 예정입니다.

더 나은 사회를 만드는 화학

흐름 합성에 대한 인식을 높이기 위해 Kobayashi 교수는 현재 흐름 시스템의 장점을 직접 시연하기 위해 이 기술에 관심이 있는 회사에 개방된 공장을 건설하는 산학관 파일럿 프로그램을 개발하고 있습니다.
또한 고바야시 교수는 '수소사회' 구현에 대비해 수소가스를 안전하게 수송하는 기술 개발을 연구하고 있다. 수소 가스는 인화성이 높고 폭발성이 높지만 톨루엔과 화학적으로 결합하여 메틸시클로헥산을 형성하면 안정화되고 안전하게 수송될 수 있습니다. 따라서 고바야시 교수는 메틸시클로헥산에서 수소를 효율적으로 추출할 수 있는 촉매 개발을 위해 노력하고 있습니다.
그는 “계속 공부하고 학계에 머무르는 것보다 사회와 소통하는 것이 중요하다고 생각한다. 화학을 통해 환경뿐만 아니라 인류의 복지와 건강, 에너지 문제에도 기여하고 싶습니다.”

게시일: 2016년 XNUMX월

투과전자현미경(TEM)

질량분석기

핵자기공명분광기(NMR)