นักวิจัยคณะวิทย์ มช. พัฒนา
ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปราศจากโลหะหนัก
ลดการตกค้างของสารอันตราย
ในกระบวนการผลิตเม็ดพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพ
และวัสดุทางการแพทย์จากพืชผลทางการเกษตร
เช่น ข้าวโพด อ้อย มันสำปะหลัง
ในปัจจุบัน การสังเคราะห์พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายเองได้ (Degradable polymers) ทางการแพทย์ มักใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโลหะหนักอยู่ อย่างเช่น ดีบุก(II) เอทิลเฮกซาโนเอต (Sn(Oct)2)) ซึ่งสามารถส่งผลกระทบต่อร่างกายของมนุษย์หรือสิ่งมีชีวิตอื่นๆได้ หากหลงเหลือในปริมาณที่มาก ดังนั้นในกระบวนการผลิตเม็ดพอลิเมอร์ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เกรดทางการแพทย์ (medical grade) ตามมาตรฐาน ASTM F1925-09 นั้น ต้องควบคุมให้มีปริมาณโลหะทินหลงเหลืออยู่ในเม็ดพอลิเมอร์เรซิน < 150 ppm ซึ่งสามารถวิเคราะห์ได้ด้วยเทคนิค atomic absorption/emission spectroscopy (AAS) หรือ inductively coupled plasma (ICP) spectroscopy หรือ ใช้บริการวิเคราะห์จากหน่วยงานภายนอก ซึ่งจะต้องเสียค่าใช้จ่ายในอัตราที่สูง ดังนั้น หากไม่ใช้ตัวริเริ่มปฏิกิริยาที่เป็นสารประกอบออร์แกโนทิน หรือโลหะอื่นๆ จะเป็นสิ่งที่ดีที่สุด ทำให้ลดการตกค้างของโลหะทิน หรือโลหะอื่นๆได้ อีกทั้งยังลดค่าใช้จ่ายในการวิเคราะห์หาปริมาณโลหะหลงเหลืออีกด้วย
ดังนั้นคณะผู้วิจัยจึงสนใจพัฒนาตัวเร่ง/ตัวริเริ่มปฏิกิริยาที่ปราศจากโลหะ (metal free catalyst/initiator) โดยผู้วิจัยสนใจพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ชนิดเอ็นเฮเทอโรคาร์บีน (เอ็นเฮชซี) จากเกลืออิมิดาโซล ซึ่งมีความว่องไวต่อปฏิกิริยาการเปิดวงของเอสเทอร์ โดยทางคณะวิจัยได้ศึกษาระบบตัวเร่งปฏิกิริยาของสายโซ่เตตระเมทิลีนบิสเอ็นเอ็นไพร์มบิวทิลอิมิดาโซเลียมเฮกซะฟลูออโรฟอสเฟต ร่วมกับเบนซิลแอลกอฮอล์ และ เอ็นบิวทิลลิเทียมในอัตราส่วนโดยโมล 0:2:2, 1:1:3, 1:2:3, และ 1:2:4 ตามลำดับ ในการเร่งปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงของเอปไซลอน-คาโพร์แลกโทน
จากผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าระบบตัวเร่งปฏิกิริยาอัตราส่วน 1:2:3 มีประสิทธิภาพสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันที่อุณหภูมิห้อง และให้อัตราส่วนปริมาณของมอนอเมอร์ต่อสารริเริ่มของตัวเร่งปฏิกิริยาสูงถึง 3000/1 ให้พอลิ(เอปไซลอน-คาโพร์แลกโทน)ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงสุดเท่ากับ 103,057 กรัมต่อโมล มีดัชนีการกระจายตัวเท่ากับ 1.73 และมีเปอร์เซ็นต์คอนเวอร์ชันเท่ากับ 98% ในเวลา 152 วินาที จากการศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบปราศจากตัวทาละลายของ เอปไซลอน-คาโพร์แลกโทนในระบบตัวเร่งปฏิกิริยาต่างๆ จากผลการทดลองพบว่า สามารถเรียงลำดับจากระบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความเร็วในการเกิดปฏิกิริยามากที่สุดจากมากไปน้อย ดังนี้ 1,4-bisNHC1,2,4 > 1,4-bisNHC1,1,3 > 1,4-bisNHC1,2,3 > 1,4-bisNHC0,2,2 (ดังรูป)
ระบบตัวเร่งปฏิกิริยา 1,4-bisNHC มีข้อดี ดังนี้
1. จะไม่มีโลหะทรานสิชันและโลหะทินอยู่ เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปราศจากโลหะ (metal free catalyst)
2. สามารถละลายได้ดีในมอนอเมอร์ชนิดวงเอสเทอร์ ทำให้สามารถควบคุมความเข้มข้นที่แน่นอนของตัวเร่ง/ตัวริเริ่มปฏิกิริยาที่ใช้จริงได้
3. ระบบตัวเร่งปฏิกิริยานี้บีสลิเทียมเอ็นเอชซีจะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพียงหน้าที่เดียว ทำให้ไม่เกิดปฏิกิริยาแข่งขันจะนำไปสู่ผลิตผลิตภัณฑ์อะลิฟาติกพอลิเอสเทอร์ชนิดวงได้ ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ต้องการ ดังนั้นตัวเร่งปฏิกิริยา/ตัวริเริ่มปฏิกิริยานี้จึงสามารถควบคุมโครงสร้างของผลิตภัณฑ์อะลิฟาติกพอลิเอสเทอร์ได้เป็นอย่างดี ซึ่งระบบตัวเร่งปฏิกิริยาโมโนลิเธียม-คาร์บีน (1,4-NHC–C–H--Li–C, R = H) จะเร่งปฏิกิริยาการเปิดวงโดยการเกิดคีเลชันของอะตอมลิเธียมและไฮโดรเจนของโมโนลิเธียม-คาร์บีน กับอะตอมออกซิเจนของมอนอเมอร์ เอปไซลอน-คาโพรแลกโทน ร่วมกับการเกิดเคเลชันกับลิเธียมเบนซิลเมทาโนเอท จากนั้นเกิดปฏิกิริยาการเปิดวงเอสเทอร์ผ่านปฏิกิริยาโคออร์ดิเนชัน-การแทรก (coordination-insertion reaction) ตามด้วยขั้นตอนการขยายสายโซ่ นำไปสู่ลีฟวิงพอลิ (แอปไซลอน-คาโพรแลกโทน) แอนไอออน (living poly (E-caprolatone) anion)จากนั้นรบกวนระบบและตกตะกอนด้วยเมทานอลในขั้นสิ้นสุดสายโซ่ นำไปสู่ผลิตภัณฑ์พอลิ (แอปไซลอน-คาโพรแลกโทน) ส่วนในกรณีของระบบตัวเร่งปฏิกิริยาบีส-ลิเธียม-คาร์บีน (1,4-NHC–C–Li, R = Li) จะมีกลไกคล้ายกับระบบตัวเร่งปฏิกิริยาโมโนลิเธียม-คาร์บีน ผ่านการเกิดคีเลชันของอะตอมลิเธียม 2 อะตอมของบีส-ลิเธียม-คาร์บีน กับอะตอมออกซิเจนของมอนอเมอร์ เอปไซลอน-คาโพรแลกโทน ร่วมกับการเกิดเคเลชันกับลิเธียมเบนซิลเมทาโนเอท ซึ่งสามารถเร่งปฏิกิริยาได้ดีกว่าระบบตัวเร่งปฏิกิริยาโมโนลิเธียม-คาร์บีน
4. สามารถทำการพอลิเมอไรเซชันได้ที่อุณหภูมิห้อง เพื่อป้องกันการสลายตัวของพอลิเมอร์เนื่องจากความร้อนและจากการเกิดปฏิกิริยาทรานเอสเทอริฟิเคชัน (transesterification) ซึ่งมักจะเกิดขึ้นเมื่อใช้อุณหภูมิสูงในการพอลิเมอไรเซชัน
5. อีกทั้งใช้เวลาในการพอลิเมอไรเซชันสั้น รวมทั้งมีประสิทธิภาพสูงในการควบคุมปฏิกิริยาและน้ำหนักโมเลกุลของพอลิเอสเทอร์อีกด้วย ส่งผลให้ค่าการกระจายตัวของน้ำหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์มีค่าที่แคบImpact ที่เกิดกับสังคม และเศรษฐกิจ
เม็ดพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพประเภทอะลิฟาติกพอลิเอสเทอร์ที่สามารถผลิตในกระบวนการนี้ เตรียมจากจากวัตถุดิบชีวมวลที่เป็นพืชผลทางการเกษตร เช่น ข้าวโพด อ้อย มันสำปะหลัง สามารถนำไปใช้เป็นวัตถุดิบตั้งต้นสำหรับผลิตวัสดุย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เช่น บรรจุภัณฑ์ย่อยสลายได้ รวมทั้งวัสดุทางการแพทย์ที่ย่อยสลายได้ในร่างกายมนุษย์ เช่น ไหมเย็บแผลที่ละลายได้ ท่อนำเส้นประสาท ตัวควบคุมการปลดปล่อยตัวยาภายในร่างกาย และ เครื่องมือแพทย์ เช่น วัสดุทางทันตกรรม สกรูและแผ่นดาม เป็นต้น ปัจจุบันเม็ดพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพและวัสดุทางการแพทย์ดังกล่าวไม่สามารถผลิตใช้ได้เองในประเทศไทย ต้องสั่งซื้อจากต่างประเทศซึ่งมีราคาแพง ดังนั้น จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องผลักดันให้เกิดการพัฒนากระบวนการผลิตเม็ดพลาสติกย่อยสลายได้ทางชีวภาพขึ้นได้เอง และนำไปผลิตเป็นวัสดุทางการแพทย์ที่ผ่านการรับรองมาตรฐานขึ้นเองในประเทศไทย ซึ่งจะส่งผลให้เกิดการลดการซื้อวัสดุและอุปกรณ์สิ้นเปลืองทางการแพทย์จากต่างประเทศซึ่งจะทำให้เศรษฐกิจไทยดีขึ้น พัฒนาคุณภาพชีวิตของประชาชนไทยให้มีสุขภาพดี ทำให้แพทย์และคนไข้มีทางเลือกในการรักษา ซึ่งอุตสาหกรรมวัสดุอุปกรณ์ทางการแพทย์เป็นหนึ่งในอุตสาหกรรมปลายน้ำของพลาสติกที่สร้างมูลค่าเพิ่มสูงมาก มีอัตราการเจริญเติบโตอย่างรวดเร็ว แนวโน้มการขยายตัวคาดว่าจะต่อเนื่องไปในอนาคต เนื่องจากประเทศไทยกำลังก้าวสู่สังคมผู้สูงอายุจึงต้องการการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีในการผลิตพลาสติก และนวัตกรรมในการผลิตเครื่องมือและอุปกรณ์ทางการแพทย์ดังกล่าวเป็นอย่างยิ่ง
Impact ด้านวิชาการ
คณะผู้วิจัยสามารถสร้างองค์ความรู้ใหม่เกี่ยวกับ กระบวนการพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงของแอฟไซลอน-คาโพร์แลกโทน ณ อุณภูมิห้อง โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ประเภทกรดลิวอีส ลิเที่ยมเตตระเมทิลีน-เทเทอเรท บีส[เอ็น-(เอ็น-บิวทิลอิมิดาโซล-2-ไลดีน)] เอ็น-เฮเทอโรไซคลิกคาร์บีน ที่มีความว่องไวสูง ซึ่งสามารถตีพิมพ์ผลงานวิจัยระดับนานาชาติ เรื่อง “Scalable and Room-Temperature Ring-Opening Polymerization of E-Caprolactone Catalyzed by Active Lithium Tetramethylene-Tethered Bis[N-(N'-butylimidazol-2-ylidene)] N-Heterocyclic Carbene as a Lewis Acid Organocatalyst, J. Org. Chem. 2022, 87, 12052-12064. [ISI Q1, Impact factor = 4.198]”
อีกทั้งสามารถยื่นจดสิทธิบัตร เรื่อง “การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ปราศจากโลหะ เกลือของโซ่อัลคิลิน บีส(อัลคิลอิมิดาโซเลียม) และเอ็นเฮเทอโรคาร์บีน (เอ็นเฮชซี) ของเกลือบีส(อัลคิลอิมิดาโซเลียม) สำหรับการสังเคราะห์พอลิเอสเทอร์เกรดทางการแพทย์” คณะผู้ประดิษฐ์: พุฒินันท์ มีเผ่าพันธ์, วินิตา บุณโยดม, วาณิช หลิมวานิช, ธิติ จันทร์ภิรมย์ เลขที่คำขอ: 2201005704 และ วันที่ยื่นคำขอ: 29 สิงหาคม 2565
ความเกี่ยวข้องกับ SDGs
งานวิจัยนี้จะช่วยสนับสนัน Targeted Research ด้านยุทธศาสตร์ที่ 1: วัสดุขั้นสูงสำหรับการแพทย์และการดูแลสุขภาพ (Advanced materials for Medical Aspects and Healthcare) สอดคล้องกับแผนพัฒนาการศึกษามหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ระยะที่ 13 ตามวัตถุประสงค์เชิงกลยุทธ์ (Strategic Objectives: SO) ของ SO2 (สร้างการพัฒนาที่ยั่งยืนด้านนวัตกรรมการแพทย์ สุขภาพและการดูแลผู้สูงอายุ (Medicopolis Platform)) และ SO5 (สร้างการพัฒนาที่ยั่งยืนด้านการวิจัยและนวัตกรรม (Research and Innovation Platform)) อีกทั้งยังสอดคล้องกับ Sustainable Development Goals (SDGs) ที่ 3 คือ Good Health and Well-being อีกด้วย
ผู้วิจัย
ทีมนักวิจัยห้องปฏิบัติการเคมีอินทรีย์สังเคราะห์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
1. นายณัฐพล อักขระวิจิตรกุล (first author) นักศึกษาระดับปริญญาเอก สาขาเคมี ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
2. นายณฐพร ชีชะนะ นักศึกษาระดับปริญญาเอก สาขาเคมี ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
3. นายปุรเชษฐ์ ฤทธิ์ชุมพล นักวิจัยหลังปริญญาเอก (Post-Doctor) สาขาเคมี ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
4. ผศ. ธิติ จันทร์ภิรมย์ ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
5. ผศ. ดร. คณารัฐ ณ ลำปาง ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
6. ผศ. ดร. ประพุทธ์ ถาวรยุติการต์ ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
7. รศ. ดร. วาณิช หลิมวานิช คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเกษตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา
8. รศ. ดร. วินิตา บุณโยดม (co-corresponding author) ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่
9. รศ. ดร. พุฒินันท์ มีเผ่าพันธ์ ภาควิชาเคมี (corresponding author) คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ผู้ที่สนใจสามารถอ่านบทความวิจัยเพิ่มเติมได้ที่ https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.joc.2c01062