結合交換反応の開発と機械学習最適化

• 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: 21H05213
• 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: 早稲田大学
• 研究代表者: 山口 潤一郎 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00529026)
• 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: 38,870千円 (直接経費: 29,900千円、間接経費: 8,970千円); 2025年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円); 2024年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2023年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円); 2022年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円); 2021年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円)
• キーワード: ヘテロ環 / 機械学習 / 交換反応 / 分子編集 / 芳香族ケトン / 結合交換 / エステル / ニッケル / パラジウム / 芳香族ニトロ化合物 / 結合交換反応 / 金属触媒 / 芳香族化合物 / 官能基 / 芳香環交換反応 / クロスカップリング / ニトリル / スルフィド / アリール交換

研究開始時の研究の概要

本研究は、申請者らが見いだした異種結合交換反応（アリール交換反応）に適用可能な芳香環の拡大、さらに多種な結合交換が可能な触媒開発に着手する。具体的には、エステル・ニトロ基・ケトン・エーテル・ニトリルなどの不活性結合を同時に活性化可能な触媒を用いた結合交換反応により安価で入手容易な化合物から高付加価値の化合物を合成する。さらに、最も高反応性官能基であるハロゲンを残したまま不活性結合を活性化し得る反応系の探索に挑戦する。触媒設計と適用できる化合物群の選定は結合解離エネルギーと触媒構造の適切なパラメータ化を用いて機械学習によって得られた知見を最短の最適化法として駆使する。

研究実績の概要

本研究は、申請者らが見いだした異種結合交換反応（アリール交換反応）に適用可能な芳香環の拡大、さらに多種な結合交換が可能な触媒開発に着手する。。具体的には、エステル・ニトロ基・ケトン・エーテル・ニトリルなどの不活性結合を同時に活性化可能な触媒を用いた結合交換反応により安価で入手容易な化合物から高付加価値の化合物を合成する。
これらの反応を進行させるためには、２種類の不活性結合の活性化が必要となる。それらを探索中に、芳香族ニトロ化合物のニトロ化反応、多様な芳香族化合物のチオメチル化反応を見出すことができた。関連研究として、芳香族ケトンの脱アシル型カップリング反応（結合交換反応を含む）、脱酸素型カップリング反応を開発した。その他、脱芳香族的官能基化反応として、アザアレーンの開環型ジフルオロ化反応や分子内環化/脱芳香族化反応（すぐに芳香環化する）を見出した。

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

結合交換反応に関しては、今年度多くの進展はなかったが、その他の関連反応探索が順調であり、機械学習に関しても研究をすすめているため、おおむね順調に進呈しているとした。

今後の研究の推進方策

引き続き結合交換反応を探索する。現在見出している関連した反応に関しても論文としてまとめ公開する

研究成果

• [雑誌論文] Ring‐opening Fluorination of Carbo/Heterocycles and Aromatics: Construction of Complex and Diverse Fluorine‐containing Molecules (2023)
  • 著者名/発表者名: Komatsuda Masaaki、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: The Chemical Record 巻: － 号: 9
  • DOI: 10.1002/tcr.202200281
  • 査読あり
• [雑誌論文] Activation of Alkyl Chlorides Enabled by Zirconocene and Photoredox Catalysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Okita Toshimasa、Aida Kazuhiro、Tanaka Keisuke、Ota Eisuke、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Precis. Chem. 巻: 1 ページ: 112-118
  • DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-5n811
• [雑誌論文] Pd-Catalyzed Denitriative Intramolecular Mizoroki?Heck Reaction (2023)
  • 著者名/発表者名: Asahara Kitty K.、Muto Kei、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: － 号: 4 ページ: 299-302
  • DOI: 10.1246/cl.230056
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chloroacetyl boronate <i>N</i>-tosylhydrazone as a versatile synthetic building block (2023)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki Ryuya、Muto Kei、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 59 号: 48 ページ: 7419-7422
  • DOI: 10.1039/d3cc02086j
  • 査読あり
• [雑誌論文] Repurposing carboxylic acids and alcohols/amines to create α-hydroxy/amino ketones (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishihara Yoshihiro、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Chem 巻: 9 号: 7 ページ: 1630-1632
  • DOI: 10.1016/j.chempr.2023.06.004
• [雑誌論文] Concise synthesis of (±)-fortuneicyclidins and (±)-cephalotine B enabled by Pd-catalyzed dearomative spirocyclization (2023)
  • 著者名/発表者名: Uwabe Yota、Muto Kei、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Chem. E. J. 巻: 29
  • DOI: 10.26434/chemrxiv-2023-jx26c-v2
• [雑誌論文] Catalytic reductive ring opening of epoxides enabled by zirconocene and photoredox catalysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Aida Kazuhiro、Hirao Marina、Funabashi Aiko、Sugimura Natsuhiko、Ota Eisuke、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Chem 巻: 8 号: 6 ページ: 1762-1774
  • DOI: 10.1016/j.chempr.2022.04.010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Decarbonylative Reductive Coupling of Aromatic Esters by Nickel and Palladium Catalyst (2022)
  • 著者名/発表者名: Peng Yunfei、Isshiki Ryota、Muto Kei、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 51 号: 7 ページ: 749-753
  • DOI: 10.1246/cl.220214
  • 査読あり
• [雑誌論文] Palladium-Catalyzed Tandem Ester Dance/Decarbonylative Coupling Reactions (2022)
  • 著者名/発表者名: Kubo Masayuki、Inayama Naomi、Ota Eisuke、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 24 号: 21 ページ: 3855-3860
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01432
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pd-Catalyzed 1,4-Carboamination of Bicyclic Bromoarenes with Diazo Compounds and Amines (2022)
  • 著者名/発表者名: Wu Qikun、Muto Kei、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 24 号: 23 ページ: 4129-4134
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01233
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemical biology to dissect molecular mechanisms underlying plant circadian clocks (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakamichi Norihito、Yamaguchi Junichiro、Sato Ayato、Fujimoto Kazuhiro J.、Ota Eisuke
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 235 号: 4 ページ: 1336-1343
  • DOI: 10.1111/nph.18298
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of α-Synuclein Proaggregator: Rapid Synthesis and Streamlining RT-QuIC Assays in Parkinson’s Disease (2022)
  • 著者名/発表者名: Takada Fumito、Kasahara Takahito、Otake Kentaro、Maru Takamitsu、Miwa Masanori、Muto Kei、Sasaki Minoru、Hirozane Yoshihiko、Yoshikawa Masato、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: ACS Medicinal Chemistry Letters 巻: 13 号: 9 ページ: 1421-1426
  • DOI: 10.1021/acsmedchemlett.2c00138
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unified synthesis of multiply arylated alkanes by catalytic deoxygenative transformation of diarylketones (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa Miki B.、Kato Kenta、Muto Kei、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 13 号: 36 ページ: 10743-10751
  • DOI: 10.1039/d2sc03720c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synthesis and Properties of Pyridine-Fused Triazolylidene?Palladium: Catalyst for Cross-Coupling Using Chloroarenes and Nitroarenes (2022)
  • 著者名/発表者名: Iizumi Keiichiro、Nakayama Keito P.、Kato Kenta、Muto Kei、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: The Journal of Organic Chemistry 巻: 87 号: 17 ページ: 11909-11918
  • DOI: 10.1021/acs.joc.2c01562
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure?Function Study of a Novel Inhibitor of Cyclin-Dependent Kinase C in Arabidopsis (2022)
  • 著者名/発表者名: Saito Ami N、Maeda Akari E、Takahara Tomoaki T、Matsuo Hiromi、Nishina Michiya、Ono Azusa、Shiratake Katsuhiro、Notaguchi Michitaka、Yanai Takeshi、Kinoshita Toshinori、Ota Eisuke、Fujimoto Kazuhiro J、Yamaguchi Junichiro、Nakamichi Norihito
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 63 号: 11 ページ: 1720-1728
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac127
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Aryl Dance Reaction of Arylbenzoheteroles (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakahara Hikaru、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 24 号: 43 ページ: 8083-8087
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.2c03442
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ring-opening fluorination of bicyclic azaarenes (2022)
  • 著者名/発表者名: Komatsuda Masaaki、Suto Ayane、Kondo Hiroki、Takada Hiroyuki、Kato Kenta、Saito Bunnai、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 13 号: 3 ページ: 665-670
  • DOI: 10.1039/d1sc06273e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pd-Catalyzed Asymmetric Dearomative Arylation of Indoles via a Desymmetrization Strategy (2022)
  • 著者名/発表者名: Nie Yu-Han、Komatsuda Masaaki、Yang Ping、Zheng Chao、Yamaguchi Junichiro、You Shu-Li
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 24 号: 7 ページ: 1481-1485
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.2c00129
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formal Syntheses of Dictyodendrins B, C, and E by a Multi-substituted Indole Synthesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Kabuki Akira、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Synthesis 巻: － 号: 22 ページ: 4963-4970
  • DOI: 10.1055/a-1786-9881
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ring-Opening Fluorination of Isoxazoles (2022)
  • 著者名/発表者名: Komatsuda Masaaki、Ohki Hugo、Kondo Hiroki、Suto Ayane、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 24 号: 17 ページ: 3270-3274
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01149
  • 査読あり
• [雑誌論文] フッ素化反応2010-2020 (2021)
  • 著者名/発表者名: Suto Ayane、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: 有機合成化学協会誌 巻: 79 号: 10 ページ: 910-967
  • DOI: 10.5059/yukigoseikyokaishi.79.910
  • NAID: 130008102165
  • ISSN: 0037-9980, 1883-6526
  • 年月日: 2021-10-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] パラジウム触媒を用いた脱ニトロ型カップリング反応の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 淺原光太郎, 柏原美勇斗, 武藤慶, 中尾佳亮, 山口潤一郎
  • 雑誌名: 有機合成化学協会誌 巻: 79 号: 1 ページ: 11-21
  • DOI: 10.5059/yukigoseikyokaishi.79.11
  • NAID: 130007966738
  • ISSN: 0037-9980, 1883-6526
  • 年月日: 2021-01-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Decarbonylative Synthesis of Aryl Nitriles from Aromatic Esters and Organocyanides by a Nickel Catalyst (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Junichiro、Iizumi Keiichiro、Kurosawa Miki B.、Isshiki Ryota、Muto Kei
  • 雑誌名: Synlett 巻: 32 号: 15 ページ: 1555-1559
  • DOI: 10.1055/s-0040-1705943
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ni-Catalyzed Aryl Sulfide Synthesis through an Aryl Exchange Reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: Isshiki Ryota、Kurosawa Miki B.、Muto Kei、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 143 号: 27 ページ: 10333-10340
  • DOI: 10.1021/jacs.1c04215
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Convergent Azaspirocyclization of Bromoarenes with <i>N</i>-Tosylhydrazones by a Palladium Catalyst (2021)
  • 著者名/発表者名: Yanagimoto Aika、Uwabe Yota、Wu Qikun、Muto Kei、Yamaguchi Junichiro
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 11 号: 16 ページ: 10429-10435
  • DOI: 10.1021/acscatal.1c02627
  • 査読あり
• [学会発表] 開環型フッ素化反応と脱フッ素化反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口潤一郎
  • 学会等名: 京都大学講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Unconventional Recipes for Aromatic Carbonyls Transformations (2023)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Yamaguchi
  • 学会等名: 北京大学講演会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unconventional Recipes for Aromatic Carbonyls Transformations (2023)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Yamaguchi
  • 学会等名: 西安交通大学講演会
• [学会発表] 有機合成化学の新潮流をつくる (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口潤一郎
  • 学会等名: 先進研究講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 開環型フッ素化反応と脱フッ素化反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口潤一郎
  • 学会等名: 大阪大学講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Breaking C-F Bonds: Novel Strategies Using Polar and Radical Reactions (2023)
  • 著者名/発表者名: Junichiro Yamaguchi
  • 学会等名: 7th Gratama Workshop 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 開環型フッ素化反応と脱フッ素化反応 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口潤一郎
  • 学会等名: 日本フッ素化学会第10回産学連携部会
  • 招待講演
• [学会発表] 応用化学科の現状と分子レベルのものづくり研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口潤一郎
  • 学会等名: 早稲田応用化学会中部支部
• [学会発表] 高難度有機反応の開発と医農薬関連企業との共同研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山口潤一郎
  • 学会等名: 第31回万有福岡シンポジウム 有機合成化学の変革～未踏の森に飛び込もう～
  • 招待講演