天游线路检测中心 致力于与环境和谐相处的化学：测量设备支持的有机合成技术创新
采访 06
东京大学理学研究科小林修教授
塑料材料对于治疗和预防疾病的药物、工业和日常生活至关重要。化学创造的物质丰富了社会，但其生产却始终伴随着污染和环境污染等问题。东京大学小林修教授不断努力实现与环境和谐的化学。
我想在烧瓶中重现体内有机合成
“我想消除化学的负面影响”，东京大学教授、“绿色化学”领跑者小林修 (Osamu Kobayashi) 说道。绿色化学是一种环境友好的化学方法，旨在减少合成化学物质时产生的废物，并最大限度地减少能源和资源的消耗，以及对人体和环境的影响。毋庸讳言，减少环境影响是21世纪的重大课题，教授的研究也引起了国内外的广泛关注。教授认为理想的化学反应是在活体内发生的化学反应。由于酶的作用，无数的化学反应一刻不停地发生，但水几乎是唯一溶解物质的“溶剂”。另一方面，在工厂和实验室进行的常规化学合成中，经常使用有机溶剂，例如甲苯和丙酮。这些对环境影响很大，对人体有害，所以不能按原样处理。当然，所有生物反应产生的废物都很容易回归大自然。仔细想想，生物体如同化工厂一样应对环境的能力可以说是惊人的。能够在烧瓶中重现这种理想的有机合成的想法成为他绿色化学工作的起点。
催化剂在水中稳定
这位教授多年来一直从事的研究是以水为溶剂的有机合成研究。一般来说，有机合成中使用的原料大多是脂溶性的，因此当用水作为溶剂时它们不溶解。此外，由于激活反应的催化剂在与水接触时会分解，因此从用于合成的烧瓶中彻底除去水。从有机合成的传统观点来看，使用水作为溶剂是不可想象的。不溶性原料的反应和在水中不分解的催化剂的开发。当然，这项史无前例的研究一开始就遭遇了一系列失败。“有机合成化学领域的许多研究人员对创造新化合物比对催化剂的结构和反应机制更感兴趣。相反，我想知道催化剂的结构和反应机制。我想，如果我理解了这一点，我就可以为以水为溶剂的有机反应开辟道路。”经过多次试验和错误，答案是一种将表面活性剂与稀土三氟甲磺酸盐（一种路易斯酸催化剂）相结合的催化剂。稀土三氟甲磺酸盐是一种特殊的路易斯酸催化剂，在水中不会失去活性，该教授是世界上第一个发现它作为“在水中稳定的催化剂”的人。稀土三氟甲磺酸盐在水中的反应性较低，但当与表面活性剂结合时，它们会像肥皂分子包围污垢一样包围原材料分子。由于催化剂和原料之间的反应发生在这个封套内，因此反应活性也增加了。此外，由于它不溶于水，因此可以在合成后收集并循环利用。从此开始，教授花了25年的时间寻找在水中有效发挥作用的催化剂，现在有机合成中使用的20%的基本反应可以使用水作为溶剂来进行。 “20%听起来可能不是一个小数目，但它是研究最有价值、最难合成的物质的结果。现在催化剂的反应机理已经弄清楚，未来的研究将迅速加速。”他自信地说。
办公桌上的制药厂
小林教授正在解释流动合成装置。 “桌面药厂”的实际应用指日可待。
教授的研究正在进入下一阶段。这是使用流动合成的有机合成。流动合成是一种只需将负责各反应的柱与管连接并将原料流入其中即可完成目标物质合成的方法。虽然它很早就被用于氨合成等基础化学品的大规模合成，但一直认为难以进行药物合成等复杂的有机合成。这是因为反应必须简单地通过管子来完成，并且一旦引入原料，副产物就会保留在管子中直到最终合成完成，这会影响反应过程。因此，在药品、化工产品等精细化学品的合成中，采用了一种称为间歇法的方法，其中一个反应完成后，将合成的中间材料取出，与另一种催化剂一起放入下一个罐中，重复反应。然而，在间歇法中，有机溶剂和后处理废物在每个步骤后都会排放。据说产生的废物量比提炼药品的量多出20至100倍，对环境的影响也不容忽视。对于一个提倡绿色化学的教授来说，这是他无论如何都想解决的问题。
重点是如何设计一个反应过程，既能产生所需的物质，又不会产生副产物。问题是如何创造催化剂来实现这一目标。这里也使用了多年的研究来开发不溶于溶剂的固体催化剂。使用固体催化剂时，前一塔反应中使用的催化剂不会流入下一塔。设计反应过程和组合催化剂的自由度也增加了。此外，由于该设计仅需要一个塔和一个泵，因此设备规模是间歇合成的十分之一，有机合成所需废物量的百分之一。``你可以在你的办公桌上创建一个制药厂。即使是这样的尺寸，每小时也可以轻松生产 1 公斤。”教授说道。2015年4月，他成功研制出抑制炎症的药物成分咯利普兰。该论文发表在科学杂志《自然》上。不仅可以通过简单地更换色谱柱来分离药品生产中需要极其小心的对映体，而且还表现出很高的生产效率，可以将 50% 的原料提取为药物。“现在生产效率已经提升到90%以上，是时候考虑实际应用了。”
看看别人没见过的东西
制药行业和其他行业的期望只会越来越高，JEOL 多年来一直支持教授的研究。电子显微镜是观察催化剂表面随时间变化不可缺少的设备。 JEOL 不仅提供设备，还派遣熟练的专业操作员，他们与教授密切合作，协助他们的研究。核磁共振（NMR）在原子水平上分析物质的分子结构，用于阐明催化剂的反应机理。一般来说，任何溶解在溶剂中的物质都更容易测量，但教授正在研究的催化剂是不溶于水的固体。当他们刚开始研究时，他们因缺乏有效的方法而苦苦挣扎，但在 1997 年，JEOL 联合开发了一种测量方法和应用程序，可以作为答案，支持这项研究。先进的应用现在在高性能催化剂的开发中发挥着作用。此外，这次我们还推出了固体样品NMR，JNM-ECZ600R。这是为了开发一种无需水或有机溶剂即可在固态下发生反应的新型催化剂。
电子显微镜对于评估催化剂的表面结构至关重要。
小林教授的实验室也使用JEOL的DART-MS。
让化学丰富社会
目前，教授正计划通过产官学合作启动一个试点工厂，以扩大对流动合成的理解。我们的想法是让任何感兴趣的公司都可以使用该工厂，以便他们能够体验流程合成的好处。此外，教授正在考虑开发安全运输氢气的技术，以实现氢化社会。氢气高度易燃易爆，如果用甲苯合成一种称为甲基环己烷的稳定物质，就可以安全运输。该教授的目标是开发一种能够有效从甲基环己烷中提取氢气的催化剂。“我认为与社会接触很重要，而不仅仅是专注于研究和学术界。通过化学，我不仅想为环境做出贡献，还想为人类福祉、健康和能源问题做出贡献。”
小林修
东京大学研究生院教授
东京大学理学院博士课程退学后，1987年成为东京大学理学院应用化学系助教。1988年获得理学博士学位。1991年成为该大学理学院讲师，1992年成为助理教授，东京大学药学研究生院教授1998年就职。自2007年起担任现职。他获得了众多奖项，包括1991年因其“利用碳阳离子物种的高度立体选择性反应的研究”而获得的日本化学会进步奖，以及美国化学会奖、汉密尔顿奖和洪堡奖。
发布时间：2016 年 7 月