| 研究領域 | デジタル化による高度精密有機合成の新展開 |
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| 研究課題/領域番号 |
21H05210
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
笹野 裕介 東北大学, 薬学研究科, 講師 (10636400)
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| 研究期間 (年度) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
36,920千円 (直接経費: 28,400千円、間接経費: 8,520千円)
2024年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
2023年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2022年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2021年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円)
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| キーワード | 酸化反応 / 化学選択性 / 機械学習 / ラジカル / サイクリックボルタンメトリー / 有機電解合成 / ニトロキシルラジカル / キャピラリー電気泳動―質量分析 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
医薬品分子等の高次複雑系分子を合成するためには、高度に化学選択的な反応と、反応条件の適切な選択が必要である。これまでに申請者らは、高度な化学選択性を示すニトロキシルラジカル触媒的アルコール酸化反応の開発に成功してきた。本研究では、領域内連携を駆動力として機械学習による上記反応の収率/選択性予測システムの構築を行う。さらに、電気化学による反応速度分析と電気泳動-質量分析の情報を取り込んだAI支援によって、新規酸化反応と新規触媒の開発を迅速に遂行する。
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| 研究実績の概要 |
第三級アミンの空気酸化的脱アルキル化反応について、2年目までの検討で開発した反応の反応機構解析を行った。具体的には、(1) サイクリックボルタンメトリーによるニトロキシルラジカル触媒と第三級アミンの酸化電位の比較、(2) シクロプロピルアミン基質を用いたラジカルクロック実験、(3) 種々の置換基を有するベンジルアミン基質を用いたHammettプロットの作成、(4) ベンジルアミンのベンジル位を重水素化した基質を用いた速度論的同位体効果実験、の4つの実験を行った。その結果から、本反応の反応機構は基質によって異なり、SET-HAT機構またはプロトン引き抜き機構のいずれかで反応が進行していることが示唆された。続いて、本研究で開発した第三級アミンの脱アルキル化反応におけるイミニウムイオン中間体の有用性拡張を企図して、イミニウムイオン中間体へのシアン化物イオンの付加反応を検討した。その結果、アトロピン誘導体のシアノ化反応が高収率で進行する条件を見出した。
窒素ラジカル触媒の開発について、テトラゼンおよび対応するラジカルカチオンの単離とアルコール酸化触媒活性について検討した。その結果、テトラゼンラジカルカチオン塩の世界初の単離、構造決定に成功し、これが高いアルコール酸化触媒活性を示すことを明らかにした。
ニトロキシルラジカル触媒を用いるアルコール酸化反応の収率予測システムの開発について、2年目の検討に引き続き、予測システムの開発を行った。いくつかの記述子を検討したものの、予測精度の高いシステムの開発には至らず、データベースを再構築する必要があるという結論に至った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
アミン酸化については、詳細な反応機構解析の結果、基質によって反応機構が異なるという興味深い知見を明らかにし、論文投稿への準備を整えた。
窒素ラジカル触媒の開発については、計画時は予定していなかった成果が得られた。2年目の検討で萌芽的知見を見出したテトラゼンとそのラジカルカチオン種の化学について、世界初のテトラゼンラジカルカチオン塩の単離とX線結晶構造解析やESRを含む構造解析に成功し、またこのテトラゼンラジカルカチオン塩が高いアルコール酸化触媒活性を発現することを見出した。以上の成果について特許出願を完了し、論文投稿に必要なデータの取得をほぼ完了した。
ニトロキシルラジカル触媒を用いるアルコール酸化反応の収率予測システムの開発については、予測精度は不十分であるものの、いくつかのシステムを構築した。
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| 今後の研究の推進方策 |
第三級アミンの空気酸化的分子変換について、イミニウムイオン中間体への求核付加反応の適用性をさらに拡張する。具体的には、シアノ基以外に、フッ化物イオンやシリルエノールエーテルとの反応も検討する予定である。
窒素ラジカル触媒の開発については、テトラゼンラジカルカチオンの構造活性相関研究を行う。具体的には様々なトリシクロ骨格、ビシクロ骨格をもつテトラゼンおよび対応するラジカルカチオンを合成し、その酸化還元電位とアルコール酸化触媒活性を明らかにする。また、化学酸化剤を用いない電解酸化反応の開発に取り組む。電解酸化反応の開発には多数のパラメーターの迅速な最適化が鍵となるが、領域内共同研究によってベイズ最適化を用いて、その効率化を図る。
ニトロキシルラジカル触媒を用いるアルコール酸化反応の収率予測システムの開発については、「アクティブラーニング」の手法を活用して、情報科学的解析から広いケミカルスペースをカバーする基質を抽出し、新規のデータセットの取得を行い、これを用いて収率予測システムを再構築する。
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