高度プログラム合成光化学

• 研究領域: デジタル化による高度精密有機合成の新展開
• 研究課題/領域番号: 21H05209
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
• 研究機関: 日本工業大学
• 研究代表者: 小池 隆司 日本工業大学, 基幹工学部, 准教授 (30451991)
• 研究期間 (年度): 2021-09-10 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2025年度)
• 配分額: 30,160千円 (直接経費: 23,200千円、間接経費: 6,960千円); 2025年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2024年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2023年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2022年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2021年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
• キーワード: 光反応 / 光触媒反応 / ラジカル反応 / 機械学習 / フロー合成 / 光触媒 / フッ素

研究開始時の研究の概要

本研究では、深層学習や機械学習を援用し、熱反応では困難な分子変換を実現する新しい光反応原理（反応制御因子）を顕現させることを目的としている。申請者のグループで導入しているフロー光反応装置にインライン分析装置として卓上核磁気共鳴装置や質量分析装置を組み込み、反応収率や選択性を高速解析しながら、流速や流路長などの操作変数を連続的に変え、実験データを短時間で効率よく収集するシステムの開発に取り組む。さらに、AI支援をうけ新反応制御法を短時間・低労力で導出するとともに、光反応が関わる実験値で構成されるユニークなデジタル化プラットフォームも構築し、有機合成化学の研究スタイルに変革を起こす。

研究実績の概要

励起種やラジカル種などの高反応性化学種を簡便に発生できる光反応プロセスは、熱エネルギーでは困難な反応を実現できるため、革新的分子変換法の鍵プロセスとして期待できる。しかし、高エネルギー状態の化学種を効率よく合成反応に活用するためには、適切な熱反応プロセスを組み込んだ光反応システムの精密なプログラム化が不可欠である。一般的に本プログラム化には多大な労力と膨大な時間が必要である。本研究課題では、①合成化学の基盤技術である遷移金属触媒（MC）系（熱反応プロセス）と光触媒（PC）系（光反応プロセス）の融合及び②新有機分子光触媒の創製を基盤に、革新的反応制御法の開発に挑戦するが、機械学習を活用することで研究の大幅な効率化をはかる。また、省エネルギーな汎用LED光源を用いた短寿命反応性化学種の発生と高速・高選択的光反応への展開に加え、領域全体のワンストップ拠点としてAI支援を円滑に受けるための光反応データ収集用にインライン分析ユニットを組み込んだフロー型光反応装置を活用する。
2024年度は、研究支援員を雇用し大嶋代表が開発した官能基評価キットを用いた光触媒的ラジカルパーフルオロアルキル化反応に関するデータ収集を終えた。さらに、得られた反応データから反応結果の予測モデルを構築した。今後その精度を上げるために引きつづきデータを収集し学習モデルを更新していく。また、フルオロアルケン類の光触媒的異性化反応系に関してフロー光反応装置を用いた高速大スケール反応へと展開し、熱反応との連続反応を達成した。今後、モジュール化された光反応系と熱反応系を融合した連続フロー合成システムへ展開していく。

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

研究支援員の雇用によって、反応データの収集とデータベース構築へ向けたデータ入力を加速することができた。反応のモジュール化への道筋がみえ、固定化光触媒の開発や熱反応との連続フロー合成系への展開に資する重要な知見を得ることができた。

今後の研究の推進方策

領域内のメンバーと光触媒の固定化、反応のモジュール化と連続フロー合成に関して議論しており、共同研究を進める計画である。引きつづきA02班と連携し光反応の高速データ収集を進めていく。

研究成果

• [雑誌論文] Photocatalytic <i>E</i> → <i>Z</i> isomerization of <i>gem</i>-bromofluoroalkenes: stereoselective synthesis of β-fluorostyrene derivatives (2025)
  • 著者名/発表者名: Kato Hayato、Kayaki Yoshihito、Koike Takashi
  • 雑誌名: Organic & Biomolecular Chemistry 巻: 23 号: 6 ページ: 1342-1346
  • DOI: 10.1039/d4ob01658k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Small Aromatics Bearing Two Diarylamino Termini: Highly Reducing Orgnic Photocatalysts (2024)
  • 著者名/発表者名: Takashi Koike
  • 雑誌名: Synlett 巻: 35 号: 04 ページ: 412-418
  • DOI: 10.1055/a-2126-1897
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fluoroalkyl Sulfoximines for Versatile Photocatalytic Radical Fluoroalkylations (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Koike
  • 雑誌名: The Chemical Record 巻: 23 号: 9
  • DOI: 10.1002/tcr.202300032
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高還元力有機分子光レドックス触媒が拓くラジカル的フルオロアルキル化の新展開 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司
  • 雑誌名: The Chemical Times 巻: 270 ページ: 21-26
  • 査読あり
• [雑誌論文] 光触媒的一電子注入法が拓く合成化学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司
  • 雑誌名: 光化学 巻: 54 ページ: 54-59
  • 査読あり
• [雑誌論文] One-Electron Injection-triggered Radical Reaction of Alkyl Benzoates Promoted by 1,4- Bis(diphenylamino)benzene Photocatalysis (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Koike,* R. Okumura, T. Kato, M. Abe, M. Akita
  • 雑誌名: ChemCatChem 巻: 15 号: 3
  • DOI: 10.1002/cctc.202201311
  • 査読あり
• [雑誌論文] 太陽光・可視光エネルギーが駆動する光触媒的精密有機合成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司
  • 雑誌名: エネルギー・資源 巻: 44 ページ: 46-50
  • 査読あり
• [雑誌論文] Assemblies of 1,4-Bis(diarylamino)naphthalene and Aromatic Amphiphiles: Highly Reducing Photoredox Catalysis in Water (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuki Hyodo, Keigo Takahashi, Youhei Chitose, Manabu Abe, Michito Yoshizawa, Takashi Koike, Munetaka Akita
  • 雑誌名: Synlett 巻: 33 号: 12 ページ: 1184-1188
  • DOI: 10.1055/a-1652-2707
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of Organofluorine Compounds (2022)
  • 著者名/発表者名: Koike Takashi
  • 雑誌名: Handbook of Inorganic Photochemistry 巻: - ページ: 1563-1577
  • DOI: 10.1007/978-3-030-63713-2_53
  • ISBN: 9783030637125, 9783030637132
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modern Synthetic Strategies for One-Electron Injection (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Koike, M. Akita
  • 雑誌名: Trends in Chemistry 巻: 3 号: 5 ページ: 416-427
  • DOI: 10.1016/j.trechm.2021.02.006
  • 査読あり
• [学会発表] 光触媒的一電子注入法によるエキセントリックな含フッ素化合物の合成 (2025)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司
  • 学会等名: 第２回電子刺激（ES）技術研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 有機分子光・酸触媒の協同作用による高密度トリフルオロメチルアルキルラジカル種の発生と反応 (2025)
  • 著者名/発表者名: 弘田香織、喜屋武翔太、多々良尚弘、小池隆司
  • 学会等名: 日本化学会第105春季年会
• [学会発表] 光触媒的異性化を経たモノフルオロアルケンの立体選択的合成 (2024)
  • 著者名/発表者名: 加藤颯人、小池隆司
  • 学会等名: 第14回CSJ化学フェスタ
• [学会発表] New Strategies for Generation of Fluorinated Alkyl Radicals Using Highly Reducing Organic Photoredox Catalysts (2024)
  • 著者名/発表者名: Takashi Koike
  • 学会等名: 5th Workshop on Radical and Electron Transfer Reactions
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photocatalytic Radical Alkylation Using Alkyl Benzoates (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Koike
  • 学会等名: 3rd Workshop on Radical and Electron Transfer Reactions (RETR-3)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radical Fluoroalkylation Reactions by Highly Reducing Organic Photocatalysts (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Koike
  • 学会等名: 10th Pacific Symposium on Radical Chemistry (PSRC)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] エステル結合の光触媒的活性化を起点とするラジカル的パーフルオロアルキル化反応の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司、喜屋武翔太
  • 学会等名: 光化学討論会2023年
• [学会発表] ルイス酸・光触媒協働作用系による ラジカル的パーフルオロアルキル化反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 喜屋武翔太、小池隆司
  • 学会等名: 第46回フッ素化学討論会
• [学会発表] (2-ブロモ-2-フルオロエテニル)ベンゼン類の 光触媒的異性化反応を経たフルオロアルケン類の立体選択的合成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 加藤颯人、小池隆司
  • 学会等名: 第46回フッ素化学討論会
• [学会発表] Stereoselective Synthesis of Monofluoroalkenes via Photocatalytic Isomerization of (2-Bromo-2- fluoroethenyl)benzenes (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Koike, Hayato Kato, Akira Narita
  • 学会等名: International Joint Symposium 2023 on Synthetic Organic Chemistry
  • 国際学会
• [学会発表] 光触媒的一電子注入法による難還元性物質の変換 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司
  • 学会等名: 日本化学会 第103春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] 光触媒的一電子注入法が拓く合成化学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司
  • 学会等名: 2022年光化学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] Strategies for Electron Transfer by Means of Organic Photocatalysis: Beyond Metallic Reagents (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Koike
  • 学会等名: Workshop on Radical and Electron Transfer Reactions (RETR)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radical Fluoroalkylation Reactions by Means of Organic Photocatalysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Koike
  • 学会等名: 11th Singapore International Chemistry Conference (SICC-11)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 有機分子光レドックス触媒による安息香酸エステル類からの含フ ッ素アルキルラジカルの発生と反応 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥村遼・小池隆司・穐田宗隆
  • 学会等名: 日本化学会 第102春季年会
• [学会発表] 有機分子光レドックス-銅協働触媒系を用いた有機スルフィン酸塩からのモノフルオロメチルスルホン類の合成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋慶悟・小池隆司・穐田宗隆
  • 学会等名: 日本化学会 第102春季年会
• [学会発表] 光触媒的一電子注入法が拓く分子変換技術 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司
  • 学会等名: 有機合成2月セミナー「有機合成のニュートレンド2022」
  • 招待講演
• [学会発表] 光レドックス触媒作用：一電子還元合成化学の進展 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司
  • 学会等名: 第141回フロンティア材料研究所学術講演会「細孔・錯体・界面での分子活性化・触媒作用」
  • 招待講演
• [学会発表] 可視光レドックス触媒作用が拓くラジカル的分子変換法 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小池隆司
  • 学会等名: 第127回触媒討論会特別シンポジウム
  • 招待講演
• [図書] 水中有機合成の開発動向; 第6章 金属錯体/有機光触媒を内包した水溶性カプセル触媒 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉沢道人、小池隆司
  • 出版者: シーエムシー出版
• [図書] Organic Redox Chemistry; Chap 8 Photochemical Paired Transformations (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Koike, M. Akita
  • 出版者: Wiley-VCH
• [図書] Organofluorine Chemistry: Synthesis, Modeling, and Applications; Chap 7 Photoredox Catalysis in Fluorination and Trifluoromethylation (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Koike, M. Akita
  • 出版者: Wiley-VCH
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: https://www.nit-chemistry.net/koike/index.html
• [備考] 研究室ホームページ
  • URL: http://www.nit-chemistry.net/koike/index.html