メカノケミカル固体有機合成のデジタル化

• Project Area: Digitalization-driven Transformative Organic Synthesis (Digi-TOS)
• Project/Area Number: 22H05328
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 久保田 浩司 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (60824828)
• 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: メカノケミストリー / ボールミル / データサイエンス / 機械学習 / 固体反応 / メカノケミカル反応 / クロスカップリング / データ科学 / メカノケミカル合成 / 二軸混錬機 / フロー合成

Outline of Research at the Start

近年、ボールミルを用いたメカノケミカル反応が、クリーンな合成技術として注目されている。しかし、ボールミルの振動数、ボールの数やサイズ、材質などのパラメータが反応効率に与える影響を予測することは困難であり、膨大なスクリーニングが必要であった。本研究では、機械学習・データサイエンスを用いてメカノケミカル反応の迅速な最適化を行い、溶媒を極力使用しない革新的な環境調和型有機合成プロセスの構築を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

申請者はメカノケミカル鈴木-宮浦クロスカップリング反応の開発に成功しているが、さらなる効率改善のためには、振動数やボールの数や大きさなどの各メカノケミカルパラメータが収率に与える影響を深く理解することが必要であると考えた。そこで本研究では、振動数、ボールの数、サイズ、ジャーのサイズ、材質などを変数とする線形回帰分析を行い、メカノケミカルクロスカップリングの収率予測モデルの構築を検討した。このデータサイエンスに基づく分析により、各化学工学的なパラメータが与える影響を「可視化」し、ブラックボックスとなっていたメカノケミカルプロセスの詳細を明らかにすることを目的とした。2023年度における本領域での研究活動においては、研究体制として、北海道大学化学反応創成研究拠点(WPI-ICReDD)に所属しているVarnek教授 (研究協力者、データ解析専門)、Stub特任助教 (研究協力者、データ解析専門)、Sidorov特任助教 (研究協力者、データ解析専門)と共同研究チームを形成し、主にトレーニングセットとなる150反応程度の実験データの収集に注力した。また、得られたトレーニングデータをもとに線形回帰分析を行い、メカノケミカルクロスカップリングの収率を予測する予備的なモデルの構築に成功した。モデルにはまだ不完全な部分があるため、2024年度も以降も継続して共同研究を実施し、メカノケミストリーとデータサイエンスの日本発融合研究を推し進める。また、本領域の研究活動として、二軸混錬機を用いた固体フロー合成法の開発にも着手し、鈴木-宮浦クロスカップリング反応の固体フロー化にも成功した。

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] Mechanochemistry enabling highly efficient Birch reduction using sodium lumps and D-(+)-glucose (2024)
  • Author(s): Kondo Keisuke、Kubota Koji、Ito Hajime
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 15 Issue: 12 Pages: 4452-4457
  • DOI: 10.1039/d3sc06052g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Solid-state mechanochemistry for the rapid and efficient synthesis of tris-cyclometalated iridium(III) complexes (2024)
  • Author(s): Kubota Koji、Endo Tsubura、Ito Hajime
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 15 Issue: 9 Pages: 3365-3371
  • DOI: 10.1039/d3sc05796h
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ring Expansion of Cyclic Boronates via Oxyboration of Arynes (2024)
  • Author(s): Shiratori Yuma、Jiang Julong、Kubota Koji、Maeda Satoshi、Ito Hajime
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 146 Issue: 3 Pages: 1765-1770
  • DOI: 10.1021/jacs.3c11851
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Using Mechanochemistry to Activate Commodity Plastics as Initiators for Radical Chain Reactions of Small Organic Molecules (2023)
  • Author(s): Kubota Koji、Jiang Julong、Kamakura Yuri、Hisazumi Reon、Endo Tsubura、Miura Daiyo、Kubo Shotaro、Maeda Satoshi、Ito Hajime
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 146 Issue: 1 Pages: 1062-1070
  • DOI: 10.1021/jacs.3c12049
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solid-state mechanochemical cross-coupling of insoluble substrates into insoluble products by removable solubilizing silyl groups: uniform synthesis of nonsubstituted linear oligothiophenes (2023)
  • Author(s): Kubota Koji、Kondo Keisuke、Seo Tamae、Jin Mingoo、Ito Hajime
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 13 Issue: 41 Pages: 28652-28657
  • DOI: 10.1039/d3ra05571j
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stereospecific synthesis of silicon-stereogenic optically active silylboranes and general synthesis of chiral silyl Anions (2023)
  • Author(s): Wang Xihong、Feng Chi、Jiang Julong、Maeda Satoshi、Kubota Koji、Ito Hajime
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 5561-5561
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41113-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dual Nickel(II)/Mechanoredox Catalysis: Mechanical‐Force‐Driven Aryl‐Amination Reactions Using Ball Milling and Piezoelectric Materials (2023)
  • Author(s): Seo Tamae、Kubota Koji、Ito Hajime
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 62 Issue: 42
  • DOI: 10.1002/anie.202311531
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Improved Catalytic System for Solid-state Iridium(I)-catalyzed C-H Borylation Using Mechanochemistry (2023)
  • Author(s): Kondo Keisuke、Ishiyama Tatsuo、Kubota Koji、Ito Hajime
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 52 Issue: 5 Pages: 333-336
  • DOI: 10.1246/cl.230081
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanochemical Approach for Air‐Tolerant and Extremely Fast Lithium‐Based Birch Reductions in Minutes (2023)
  • Author(s): Gao Yunpeng、Kubota Koji、Ito Hajime
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 62 Issue: 21
  • DOI: 10.1002/anie.202217723
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanochemistry-Directed Ligand Design: Development of a High-Performance Phosphine Ligand for Palladium-Catalyzed Mechanochemical Organoboron Cross-Coupling (2023)
  • Author(s): Seo Tamae、Kubota Koji、Ito Hajime
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 145 Issue: 12 Pages: 6823-6837
  • DOI: 10.1021/jacs.2c13543
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solid-state Silver-catalyzed Ring-opening Fluorination of Cyclobutanols Using Mechanochemistry (2023)
  • Author(s): Isshiki Ryota、Kubota Koji、Ito Hajime
  • Journal Title: Synlett Volume: - Issue: 12 Pages: 1419-1424
  • DOI: 10.1055/a-2021-9599
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solid-state cross-coupling reactions of insoluble aryl halides under polymer-assisted grinding conditions (2023)
  • Author(s): Kubota Koji、Seo Tamae、Ito Hajime
  • Journal Title: Faraday Discussions Volume: 241 Pages: 104-113
  • DOI: 10.1039/d2fd00121g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanochemical protocol facilitates the generation of arylmanganese nucleophiles from unactivated manganese metal (2023)
  • Author(s): Takahashi Rina、Gao Pan、Kubota Koji、Ito Hajime
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 14 Issue: 3 Pages: 499-505
  • DOI: 10.1039/d2sc05468j
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanochemically Generated Calcium‐Based Heavy Grignard Reagents and Their Application to Carbon-Carbon Bond‐Forming Reactions (2022)
  • Author(s): Gao Pan、Jiang Julong、Maeda Satoshi、Kubota Koji、Ito Hajime
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 61 Issue: 41
  • DOI: 10.1002/anie.202207118
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Exploring Mechanical Force-Induced Organic Synthesis (2024)
  • Author(s): Koji Kubota
  • Organizer: The 7th ICReDD International Symposium - The Rising Star Program
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] メカノケミカル法による化学合成の進展と展望 (2023)
  • Author(s): 久保田浩司
  • Organizer: 文部科学省・宇宙航空科学技術推進委託費宇宙連携拠点プログラム「宇宙でのモノ創り」
  • Invited
• [Presentation] Exploring Force-Induced Organic Synthesis (2023)
  • Author(s): Koji Kubota
  • Organizer: The 3rd Japanese-Sino Symposium on Catalysis for Precision Synthesis
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Advancing the Frontiers of Mechanochemistry (2023)
  • Author(s): Koji Kubota
  • Organizer: 49th IUPAC World Chemistry Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] メカノケミカルクロスカップリングのための触媒デザイン (2023)
  • Author(s): 久保田 浩司
  • Organizer: 第61回オーロラセミナー
  • Invited
• [Presentation] 有機合成化学の”メカノ化” (2023)
  • Author(s): 久保田浩司
  • Organizer: 日本薬学会第143年会
  • Invited
• [Presentation] 固相メカノ有機合成化学の開拓と展開 (2023)
  • Author(s): 久保田浩司
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会2023
  • Invited
• [Presentation] マクロとミクロをつなぐメカノ有機合成 (2023)
  • Author(s): 久保田浩司
  • Organizer: 2022年度第二回有機金属若手研究者の会
  • Invited
• [Presentation] Mechano-driven main group organometallic chemistry (2022)
  • Author(s): Koji Kubota
  • Organizer: The 11th Singapore International Chemistry Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanoredox Catalysis: Force-Induced Charge Transfer Catalysis for Organic Synthesis (2022)
  • Author(s): Koji Kubota
  • Organizer: International Symposium on Innovative Reactions through Controlling Electrons
  • Int'l Joint Research / Invited