光ラジカル反応のデジタル制御に向けた反応リアクターの開発

• Project Area: Digitalization-driven Transformative Organic Synthesis (Digi-TOS)
• Project/Area Number: 21H05219
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Ochanomizu University
• Principal Investigator: 矢島 知子 お茶の水女子大学, 基幹研究院, 教授 (10302994)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥29,380,000 (Direct Cost: ¥22,600,000、Indirect Cost: ¥6,780,000); Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2022: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2021: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
• Keywords: 可視光反応 / フロー合成 / ペルフルオロアルキル化 / ペルフルオロアルキル / メタルフリー / フッ素

Outline of Research at the Start

光反応は、温和でクリーンな反応で生成物を得られる手法として注目を浴びており、盛んに研究がなされている。また、大量合成に向けた、フロー合成手法の確立も重要な課題である。しかし反応の最適化には、触媒、溶媒、流速等の多くのパラメータがあり、そのより効率的な最適化方法の確立が望まれる。本研究では、この最適化にAIによる手法を取り入れることを考えた。そこで、一度に多くのデータの取得が可能なインライン分析を取り入れ、デジタル制御に向けた反応リアクターの開発を行う

Outline of Annual Research Achievements

高効率的な光ラジカル反応の開発手法の確立を目指し、フロー反応リアクターの開発を行い、モジュール化することにより、これまでバッチで行われてきた反応が容易にフローへと変換可能とすることを目指す本研究は、昨年度に構築した光フローシステムを用いて、アルデヒドエナミンへの反応の詳細な検討を継続し、ケトンエナミンへの反応開発を開始した。アルデヒドエナミンの反応については、昨年までに見出していたモデル反応を、様々な基質・ラジカル前駆体に適用し、その適用範囲の拡大を図った。また、フロー出口からの粗生成物をそのまま還元することによるアミンの合成に展開した。
ケトンへの反応については、これまでバッチ反応では脱HFが進行したフルオロオレフィンのみが得られていた反応をフロー合成を適用することによりフルオロアルキル化生成物を得ることができた。この反応については、ベイズ最適化の手法を用いて反応条件の最適化に取り組んだ。また、ベイズ最適化については、バッチ反応を用いたその妥当性の検討についても検討を行った。
これらの反応について、MS,NMRなどの分析手法を用いて、その反応機構を明らかにした。さらに、ガス状の化合物であるヨウ化トリフルオロメチルを用いたトリフルオロメチル化反応への展開、そのIRによるインライン分析を見据えた予備実験を行った。まずは紫外光によるデセンとのヨウ化ペルフルオロアルキル化について検討を行い、マスフローコントローラによるヨウ化ペルフルオロアルキルの流量の制御、溶解度の確認、IRでの分析方法の検討を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

可視光反応のフロー合成への展開について、順調に成果が上がっており、学会での報告などを行うことができた。また、今後の展開に重要な知見も得られており、計画通り、もしくはそれ以上の成果が期待できる状態である。

Strategy for Future Research Activity

可視光反応のフロー化、新規反応の発見等順調に進行している。今後も、これまでに得られた知見を基に粛々と研究を遂行していく。特に、ガス状化合物であるヨウ化トリフルオロメチルを用いた反応のフロー合成への適用、インライン分析についても、流量のコントロール、ガス状化合物と反応系との混ざりなどが問題であることが分かったので、ミキサーの検討などを行い、実現していく。

Research Products

• [Journal Article] Amine-catalyzed Synthesis of Fluorine-containing Polymers through Halogen Bonding. (2023)
  • Author(s): Tadashi Kanbara, Mizuki Arase, Miyu Tanaka, Airi Yamaguchi, Koto Tagami, Tomoko Yajima
  • Journal Title: Chem Asian J. Volume: 8 Issue: 8
  • DOI: 10.1002/asia.202300035
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Electrophilic Radical Perfluoroalkylation of Electron-Deficient Olefins (2023)
  • Author(s): Koto Tagami, Tomoko Yajima
  • Journal Title: Chem. Rec. Volume: - Issue: 9
  • DOI: 10.1002/tcr.202300037
• [Journal Article] Metal-free visible-light-induced hydroxyperfluoroalkylation of conjugated olefins using enamine catalyst. (2022)
  • Author(s): Koto Tagami, Yu Ofuji, Tadashi Kanbara and Tomoko Yajima,
  • Journal Title: RSC Adv. Volume: 12 Issue: 51 Pages: 32790-32795
  • DOI: 10.1039/d2ra06679c
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Eosin Y catalyzed Visible-Light-Induced Hydroperfluoroalkylation of Electron-Deficient Alkenes (2022)
  • Author(s): Satsuki Shigenaga, Haruko Shibata, Koto Tagami, Tadashi Kanbara, Tomoko Yajima
  • Journal Title: J. Org. Chem. Volume: 87 Issue: 21 Pages: 14923-14929
  • DOI: 10.1021/acs.joc.2c01827
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 有機触媒を用いた電子不足オレフィン類およびスチレン類に対する可視光ヒドロキシ－ペルフルオロアルキル化反応の開発 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、大藤柚、神原將、矢島知子
  • Organizer: 第82回有機合成化学協会関東支部シンポジウム
• [Presentation] 光ペルフルオロアルキル化を基にした重合反応への展開 (2022)
  • Author(s): 矢島知子
  • Organizer: 第249 回フォトポリマー講演会
  • Invited
• [Presentation] LED光源を用いた電子不足オレフィン類に対するメタルフリー・ヒドロキシペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、神原將、矢島知子
  • Organizer: 第11回 JACI / GSCシンポジウム
• [Presentation] アルデヒドに対するメタルフリーな可視光α-ペルフルオロアルケニル化 (2022)
  • Author(s): 柘植亮子、松井春奈、神原將、矢島知子
  • Organizer: 第11回 JACI / GSCシンポジウム
• [Presentation] 1,4-ジヨードペルフルオロブタンを用いた芳香環への光ペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 山口愛織、神原將、矢島知子
  • Organizer: 第11回 JACI / GSCシンポジウム
• [Presentation] 有機触媒を用いたオレフィンに対するヒドロキシ－ペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、大藤柚、神原將、矢島知子
  • Organizer: 第46回有機電子移動化学討論会
• [Presentation] アミンを触媒としたオレフィンへのヒドロキシ－ペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、矢島知子
  • Organizer: 第42回有機合成若手セミナー
• [Presentation] 1-デセンへの可視光ヒドロキシペルフルオロアルキル化反応の機械学習による反応条件の探索 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、近藤健、滝澤忍、矢島知子
  • Organizer: 第11回フッ素化学若手の会
• [Presentation] 芳香族化合物に対する光ペルフルオロアルキル化反応によるヨウ化物の合成 (2022)
  • Author(s): 山口愛織、神原將、矢島知子
  • Organizer: 第11回フッ素化学若手の会
• [Presentation] ヨウ化ペルフルオロアルキルとアミンのハロゲン結合に促進されるオレフィンへの可視光ペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、田中美邑、神原將、矢島知子
  • Organizer: 第25回ヨウ素学会シンポジウム
• [Presentation] 単純なアミンを触媒としたオレフィンへのメタルフリー・ヒドロキシペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、矢島知子
  • Organizer: 第38回有機合成化学セミナー
• [Presentation] マイクロフローリアクターを利用したアルデヒドに対する可視光α-ペルフルオロアルケニル化反応の開発 (2022)
  • Author(s): 柘植亮子、松井春奈、矢島知子
  • Organizer: 第38回有機合成化学セミナー
• [Presentation] 第三級アミンを触媒とした共役オレフィンへの可視光ヒドロキシペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、矢島知子
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] マイクロフロー法を用いたアルデヒドに対する可視光α-ペルフルオロアルケニル化反応の開発 (2022)
  • Author(s): 柘植亮子、松井春奈、神原將、矢島知子
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ
• [Presentation] ハロゲン結合を利用したオレフィンへの可視光ヒドロキシペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、矢島知子
  • Organizer: 第45回フッ素化学討論会
• [Presentation] フロー法による可視光α-ペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 柘植亮子、菅野日菜、松井春奈、神原將、矢島知子
  • Organizer: 第45回フッ素化学討論会
• [Presentation] Halogen-Bond Promoted Metal-Free Hydroxy-Perfluoroalkylation of Conjugated Olefins (2022)
  • Author(s): Koto Tagami, Tomoko Yajima
  • Organizer: 5th INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON HALOGEN BONDING
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Halogen-Bond Promoted Polyaddition and Chain Polymerization (2022)
  • Author(s): Tadashi Kanbara, Mizuki Arase, Koto Tagami, Airi Yamaguchi, Tomoko Yajima
  • Organizer: 5th INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON HALOGEN BONDING
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 臭化ペルフルオロアルキルを利用した有機触媒によるオレフィンへのヒドロペルフルオロアルキル化反応 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、重永皐月、柴田桜子、神原將、矢島知子
  • Organizer: 2022 ハロゲン利用ミニシンポジウム
• [Presentation] エナミンを経由する光ペルフルオロアルキル化のフロー合成への展開 (2022)
  • Author(s): 矢島知子
  • Organizer: フロー・マイクロ合成研究会第97 回研究会
  • Invited
• [Presentation] 金属を用いないオレフィンへの可視光臭化ペルフルオロアルキル化反応の開 (2022)
  • Author(s): 田上湖都、矢島知子
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] 芳香環へのエオシンYを用いた光ペルフルオロアルキル化反応による環化生成物とヨウ化物の作り分け (2022)
  • Author(s): 山口愛織、神原將、矢島知子
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] 環境適応型可視光ペルフルオロアルキル化反応の開発 (2022)
  • Author(s): 矢島知子
  • Organizer: 電気化学会第90回大会
  • Invited
• [Presentation] エナミンを経由するカルボニルα位に対する可視光α-ペルフルオロアルケニル化 (2021)
  • Author(s): 柘植亮子、松井春奈、神原將、矢島知子
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会