เคมีสีเขียว (Green Chemistry)
ตอนที่ 2: พลังงานไมโครเวฟกับการเลือกใช้ตัวทำละลายสีเขียว
(Microwave Energy and Green Solvent Selection)

การพัฒนากระบวนการสังเคราะห์สารเคมีโดย “เคมีสีเขียว” [1,3] เป็นวิธีการที่กำลังเป็นที่ศึกษาอย่างมากในต่างประเทศ เพื่อลดขั้นตอนในการใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ในห้องปฏิบัติการ และสอดคล้องกับหลักการ “เคมีสีเขียว” ดังที่เคยกล่าวมาแล้ว [3] ตามกฎข้อที่ 3 การออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ที่ไม่เป็นอันตราย (Design less hazardous chemical syntheses) และกฎข้อที่ 8 ใช้ตัวทำละลายและกระบวนการที่ปลอดภัย (Use safer solvents and reaction conditions) ตัวทำละลายที่ปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่ใช้ในปฏิกิริยาทางเคมีมีหลายชนิดได้แก่ น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์เหลว (supercritical CO2) และ ตัวทำละลายมีประจุ (ionic liquids) ในขณะที่ตัวทำละลายอินทรีย์ส่วนมากไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

อย่างไรก็ตาม การห้ามใช้ตัวทำละลายอินทรีย์เป็นสิ่งที่มีความยุ่งยากในห้องปฏิบัติการทางเคมี การเลือกใช้ตัวทำละลายสีเขียวในปฏิกิริยาเคมีจึงเริ่มถูกพิจารณามากขึ้น ในกระบวนการผลิตของห้องห้องปฏิบัติการเภสัชเคมีและบริษัทผู้ผลิตยา เช่น Pfizer [4] บนพื้นฐานของ Environmental Health และ Safety (EHS) ได้แก่

1. Worker Safety
2. Process Safety
3. Environmental and Regulatory Considerations

การแบ่งชนิดของตัวทำละลายตามหลักการดังกล่าว ซึ่งครอบคลุมชนิดของตัวทำละลายที่ถูกใช้ ในห้องปฏิบัติการเภสัชเคมีเกือบทั้งหมด โดยแบ่งกลุ่มตัวทำละลายเป็น 3 กลุ่มตามแถบสีแสดงดังรูปที่ 1 ได้แก่ กลุ่มที่ถูกแนะนำให้ใช้ Preferred (สีเขียว) กลุ่มที่สามารถใช้ได้ Usable (สีน้ำเงิน) และกลุ่มที่ไม่แนะนำให้ใช้ Undesirable (สีแดง) [4]

Figure 1. Pfizer solvent selection guide for medicinal chemistry [4]

ตัวทำละลายสีแดงหลายชนิดมีจุดวาบไฟต่ำ มีความเป็นพิษสูง และเป็นสารก่อมะเร็ง หลายชนิดจัดเป็น Hazardous airborne pollutant (HAP) ควรหลีกเลี่ยงหรือห้ามใช้ในประเทศสหรัฐอเมริกาและกลุ่มประเทศยุโรป อย่างไรก็ตาม เพื่อลดปัญหาทางจิตวิทยาต่อนักวิจัย ในการห้ามใช้ “Don’t use” ตัวทำละลาย จึงมีการกำหนดตารางการเลือกใช้ “Use this instead” สำหรับตัวทำละลายทางเลือก (alternative solvents) [4]

Table 1. การเลือกใช้ตัวทำละลาย (Solvent replacement) [4]

นอกจาก benzene และ carbon tetrachloride ที่ถูกผลักดันให้ยกเลิกการใช้และให้ใช้ตัวทำละลายทางเลือกแล้ว ตัวทำละลายทางเลือกสวนใหญ่จะมีคุณสมบัติทางเคมีหรือบทบาทหน้าที่ที่ใกล้เคียงกัน เช่น heptanes มีจุดวาบไฟที่สูงกว่า pentane จึงลดความเสี่ยงได้มากกว่า อย่างไรก็ตาม ย ังมีข้อโต้เถียงในประเด็นการเลือกใช้ตัวทำละลายที่มีคลอรีนเป็นองค์ประกอบ (chlorinated solvent) อยู่บ้าง แต่ก็มีการอนุโลมให้ใช้ dichloromethane แทน chlorinated solvent อื่นๆ เช่น chloroform ในขั้นตอนการทำปฏิกิริยา ในขณะที่ EtOAc MTBE และ 2-MeTHF สามารถใช้เป็นทางเลือกแทนการใช้ dichloromethane ในขั้นตอนการสกัดสาร เป็นต้น

การวิจัยและศึกษาพัฒนาองค์ความรู้ใหม่เพื่อการสังเคราะห์สารที่มีฤทธิ์ทางยาที่ห้องปฏิบัติการเภสัชเคมี สถาบันวิจัยจุฬาภรณ์และโครงการบัณฑิตศึกษา สาขาเคมีชีวภาพ สถาบันบัณฑิตศึกษาจุฬาภรณ์ ให้ความสำคัญโดยคำนึงถึงการใช้ตัวทำละลายสีเขียวที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและเป็นทางเลือกในปฏิกิริยาเคมี “น้ำ” [5,6] เป็นคำตอบของกระบวนการสังเคราะห์แบบใหม่ที่พัฒนาขึ้น โดยคำนึงถึงความจำเป็นของการใช้น้ำกับตัวทำละลายอินทรีย์ ซึ่งมีความหมายต่อการแยกสารระหว่างสารอินทรีย์เคมีที่ละลายและไม่ละลายในชั้นน้ำ เช่นเดียวกับความจำเป็นในกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ที่ต้องคำนึงถึงปัญหาสภาวะแวดล้อมด้วย

นอกจากนี้ มีการศึกษาวิจัยการใช้พลังงานทางเลือกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการต่างๆ และลดผลกระทบที่มีต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นไปตามหลักการของ “เคมีสีเขียว” ข้อที่ 9 การเพิ่มประสิทธิภาพของการใช้พลังงาน (Increase energy efficiency) เช่นการทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิปกติ แต่ภายใต้สภาวะความดันสูงจะช่วยทำให้ปฏิกิริยามีประสิทธิภาพมากขึ้น การนำพลังงานไมโครเวฟมาใช้ ถือเป็นทางเลือกใหม่ [7] ที่เพิ่มประสิทธิภาพในการทำปฏิกิริยาทางเคมีต่างๆที่รวมถึงการสร้างพันธะ ระหว่างคาร์บอนกับคาร์บอน [8,9] หรือคาร์บอนกับเฮเทอโรอะตอมต่างๆ เช่น ไนโตรเจน [10] หรือออกซิเจน [11] ประโยชน์ของการนำพลังงานไมโครเวฟมาใช้ในปฏิกิริยาทางเคมี ช่วยทำให้เกิดความเชื่อมโยงของเคมีแนวใหม่กับพลังงานที่สะอาด นอกจากนี้พลังงานไมโครเวฟสามารถช่วยย่นระยะเวลาในการทำปฏิกิริยาให้สั้นกว่าการใช้พลังงานแบบเดิม ถือเป็นการลดภาระการใช้พลังงานอย่างสิ้นเปลื้อง

การเลือกใช้ตัวทำละลายในปฏิกิริยาที่ใช้พลังงานไมโครเวฟเป็นอีกวิธีที่สอดคล้องกับหลักการของ “เคมีสีเขียว” ตัวทำละลายที่ใช้ในปฏิกิริยาไมโครเวฟส่วนใหญ่จัดอยู่ในกลุ่มที่ถูกแนะนำให้ใช้ Preferred และ กลุ่มที่สามารถใช้ได้ Usable โดยมีการดูดกลืนพลังงานไมโครเวฟที่แตกต่างกัน การเลือกใช้ตัวทำละลายในปฏิกิริยาไมโครเวฟในแต่ละปฏิกิริยาจึงควรพิจารณาจากค่าการดูดกลืนพลังงาน (Tan δ ) และกลุ่มของตัวทำละลายสีเขียว

Table 2. คุณสมบัติการดูดกลืนพลังงานไมโครเวฟของตัวทำละลายสีเขียว [7]

 
รายการอ้างอิง

• Anastas, P.; Eghbali, N. “Green Chemistry: Principles and Practice” Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 301-312.
• Li, C.-J.; Barry M. Trost. Green Chemistry for Chemical Synthesis. PNAS 2008, 105, 13197-13202.
• Thasana, N. เคมีสีเขียว – ตอนที่ 1: 12 หลักการของ “เคมีสีเขียว” (Twelve principles of Green Chemistry)
• Alfonsi, K.; Colberg, J.; Dumn, P. J.; Fevig, T.; Jennings, S.; Johnson, T. A.; Kleine, H. P.; Knight, C.; Nagy, M. A.; Perry, D. A.; Stefaniak, M. Green chemistry tools to influence a medicinal chemistry and research chemistry based organisation. Green Chem. 2008, 10, 31-36.
• Narayan, S.; Muldoon, J.; Finn, M. G.; Fokin, V. V.; Kolb, H. C.; Sharpless, K. B. Unique Reactivity of Organic Compounds in Aqueous Suspension. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 8103 – 8104.
• Hayashi, Y. In Water or in the Presence of Water? Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 8103 – 8104.
• Kappe, C. O.; Stadler, A. “Microwaves in Organic and Medicinal Chemistry” Eds: Mannhold, R.; Kubinyi, H.; Folkers, G. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2005.
• Worayuthakarn, R.; Boonya-udtayan, S.; Arom-oon, E.; Ploypradith, P.; Ruchirawat, S.; Thasana, N. Synthesis of unsymmetrical benzil licoagrodione. J. Org. Chem. 2008, 73, 7432-7435.
• Thasana, N.; Bjerke-Kroll, B.; Ruchirawat, S. A facile synthesis of telisatin A via microwave-promoted annulation and Reformatsky reaction. Synlett 2008, 505-508.
• Boonya-udtayan, S.; Yotapan, N.; Woo, C.; Bruns, C. J.; Ruchirawat, S.; Thasana, N. Synthesis and biological activities of azalamellarins. Chem. Asian. J. 2010, 5, 2113-2123.
• Thasana, N.; Worayuthakarn, R.; Kradanrat, P.; Hohn, E.; Young, L.; Ruchirawat, S. Copper(I)-mediated and microwave-assisted Caryl-Ocarboxylic coupling: Synthesis of benzopyaranones and isolamellarin alkaloids. J. Org. Chem. 2007, 72, 9379-9382.