AI支援によるアルケンのanti-Markovnikov型水和反応の開発

• Project Area: Digitalization-driven Transformative Organic Synthesis (Digi-TOS)
• Project/Area Number: 22H05368
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 三浦 智也 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (10378804)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: 機械学習 / アルケン / 水和反応 / anti-Markovnikov選択性 / パラジウム触媒

Outline of Research at the Start

本研究では、機械学習（AI）を活用した自動化法（反応条件自動最適化）を用いて、1. パラジウム触媒を用いたアルケンの位置選択的な高度活性化法及び、2. 光エネルギーを利用した配位子-金属電荷移動（LMCT）遷移による新たなアルケンの１電子酸化システムを開発し、脂肪族アルケンにも適応可能なanti-Markovnikov型水和反応の実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

アルケンのanti-Markovnikov型水和反応は、困難でありながら達成が熱望されている化学変換である。我々は、これを実現するため、以下の研究を進めている。
(1) 機械学習を用いたanti-Markovnikov型辻-Wacker酸化反応の選択性と収率の予測
新規な反応を開発する場合，収率ゼロが続いてしまうため，反応因子の解析や反応条件最適化に機械学習を活用することが難しい．そこで本研究では，これを克服する方法として「類似反応の反応条件や反応機構から機械学習により反応に重要な因子を解明し，その情報をもとに目的とする新規反応の開発や反応条件の最適化が可能か」を検討している．
まず，Grubbsの報告したanti-Markovnikov型辻-Wacker酸化反応 [1] をモデル反応とし，既存の条件から，基質，求核剤，溶媒，配位子，触媒，添加物をそれぞれ数種類変化させ，位置選択性および収率に対する影響を見た．反応が進行した上で影響が強かったのは基質である脂肪族末端アルケンと溶媒に用いるアルコールであった．そこで次に，基質による位置選択性と収率を予測するために機械学習を試みた．市販の基質23個を訓練データ，市販されていない基質14個をテストデータとしてランダムフォレストで学習モデルを構築した．さらに，これら37個を訓練データとして再訓練を行い，天然物の全合成で用いられた複雑な基質3個に対して予測を行ったところ，それぞれ高い精度で位置選択性および収率が予測できた．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Visible-light-driven 1,2-hydro(cyanomethylation) of alkenes with chloroacetonitrile (2023)
  • Author(s): Fuke Keito、Miura Tomoya
  • Journal Title: Organic & Biomolecular Chemistry Volume: 21 Issue: 43 Pages: 8642-8645
  • DOI: 10.1039/d3ob01533e
• [Journal Article] Ligand‐Controlled Regiodivergence in Nickel‐Catalyzed Vinylcyclopropane Rearrangement (2023)
  • Author(s): Irifune Keiichi、Yamazaki Ken、Nakamuro Takayuki、Murakami Masahiro、Miura Tomoya
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 62 Issue: 33
  • DOI: 10.1002/anie.202307826
• [Journal Article] Cu-Catalyzed Double C(sp³)?H Functionalization of Ethylarenes to Form Arylethanolamines (2023)
  • Author(s): Oku Naoki、Miura Tomoya
  • Journal Title: The Journal of Organic Chemistry Volume: - Issue: 11 Pages: 7592-7596
  • DOI: 10.1021/acs.joc.3c00583
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高い酸化力を有する銅光酸化還元触媒によるスチレンの逆マルコフニコフ型水和反応 (2024)
  • Author(s): 奥 直樹・福家 啓仁・山崎 賢・松井 康哲・池田 浩・三浦 智也
  • Organizer: 日本化学会第104回春季年会
• [Presentation] Photoexcited Cu-Catalyzed anti-Markovnikov Hydration of Styrenes (2023)
  • Author(s): 奥 直樹・福家 啓仁・三浦 智也
  • Organizer: 第69回有機金属化学討論会