有機合成反応の自動化を指向したフローマイクロ電解合成技術の創製

• 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: 21H05215
• 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: 横浜国立大学
• 研究代表者: 跡部 真人 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (90291351)
• 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: 39,130千円 (直接経費: 30,100千円、間接経費: 9,030千円); 2025年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2024年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2023年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2022年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2021年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
• キーワード: フローマイクロ電解 / 有機電解合成 / 自動最適化技術 / フロー電解

研究開始時の研究の概要

有機電解合成をフローマイクロ技術と融合することが出来れば、環境にやさしい多彩な合成反応モジュールを一挙に提供可能になる。創製されたフローマイクロ電解合成技術において、電解反応特有のパラメータとフローマイクロ特有のパラメータ操作により、再現性に優れ、研究者個々の技術に依存しない実験が行えることから、機械学習を利用した反応条件の自動最適化システムを組み込めば、理想的な自動合成装置の開発に繋がる。
そこで本研究課題では、フローマイクロ電解合成の自動化促進を目的とし、フロー電解合成デバイスおよびインラインフロー分析を組み込んだ反応条件の自動最適化技術の開発を行う。

研究実績の概要

本研究項目で開発されるフロー電解合成デバイスは革新的な基礎反応開発を支援するために主としてA01班に提供することをも想定している。そのため、フロー電解はもとより電解反応を初めて実施する共同研究者にも使いやすいものにする必要があり、組み立て容易なシンプルな構造から成るデバイスを設計することが肝要となる。一方、各種有機電解反応に適用できる汎用性に富んだ仕様にする必要もあることから、様々な電極材料を反応に応じて選択出来たり、あるいは対極での反応阻害を抑制するために、必要に応じて隔膜を介在させたり出来るなどの柔軟性に富んだものが求められる。
一昨年度は、このような要求を満たすためのフロー電解合成デバイスを設計し、これに基づいて試作されたデバイス特性を電気化学測定やモデル電解実験などから検証し、その仕様を固め、また昨年度は、このデバイスにインラインフローNMR分析を組み込んだフロー電解合成システムを構築した。今年度は環状カルバメート類の電解メトキシ化をモデル反応とした電解反応結果のデータベース化に注力し、本電解反応システムが電解結果の迅速なデータ提供において極めて有効であることが検証された。さらに電解メトキシ化の収率および生産速度の最適化を図った。

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

2023年度に予定されていた研究項目「環状カルバメート類の電解メトキシ化反応のデータベース化」を滞りなく進めることができ、データベースの収集における本電解反応システム有用性が検証され、電解メトキシ化の収率および生産速度の最適化が図られた。

今後の研究の推進方策

今年度は一級アルコールの電解酸化によるアルデヒドへの高効率・高選択的変換を実現するための信頼度・精度が高いデータを本電解システムにより大量に収集し、データベースに提供する。

研究成果

• [雑誌論文] Organic Electrosynthetic Processes Using Solid Polymer Electrolyte Reactor (2024)
  • 著者名/発表者名: Mahito Atobe, Naoki Shida
  • 雑誌名: Current Opinion in Electrochemistry 巻: 44 ページ: 101440-101440
  • DOI: 10.1016/j.coelec.2024.101440
  • 査読あり
• [雑誌論文] Voltammetric Studies on the Reduction Potentials of Perfluoroalkyl Halides and Their Analogous Compounds (2023)
  • 著者名/発表者名: Airi Yamaguchi, Naoki Shida, Mahito Atobe, Tomoko Yajima
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 91 号: 11 ページ: 112016-112016
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.23-67111
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2023-11-30
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] C–C Bond Cleavage at the <i>N</i>-α Position Enabled by the Low-potential Electrochemical Oxidation of the 2,7-Dimethoxynaphthyl Electroauxiliary (2023)
  • 著者名/発表者名: OKAMOTO Kazuhiro、IMADA Yasushi、SHIDA Naoki、KITANO Yoshikazu、ATOBE Mahito、CHIBA Kazuhiro
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 91 号: 11 ページ: 112006-112006
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.23-67076
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2023-11-28
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] β-Scission by Direct Electrochemical Oxidation: Proton-coupled Electron Transfer Mechanism Dictated by Synthetic Study and Computations (2023)
  • 著者名/発表者名: IZUMIYA Rumi、ATOBE Mahito、SHIDA Naoki
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 91 号: 11 ページ: 112003-112003
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.23-67010
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2023-11-28
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Susceptibility of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Oxidative Voltammetry: Unveiling the Effect of Electrolyte-coordination (2023)
  • 著者名/発表者名: YOSHINAGA Shohei、ATOBE Mahito、SHIDA Naoki
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 91 号: 11 ページ: 112002-112002
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.23-67013
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2023-11-28
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electrochemical [3+2] Cycloaddition Proceeding at Low Electrolyte Concentration in Laminar‐Flow Microreactor (2023)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Kazuhiro、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: ChemElectroChem 巻: 10 号: 23
  • DOI: 10.1002/celc.202300386
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electrochemically Triggered Hole-Catalytic Benzylic Substitution Reaction at a Polymer Chain Containing β-O-4 Linkage (2023)
  • 著者名/発表者名: Izumiya Rumi、Atobe Mahito、Shida Naoki
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 96 号: 4 ページ: 353-358
  • DOI: 10.1246/bcsj.20230019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diastereoselective Electrocatalytic Hydrogenation of Cyclic Ketones Using a Proton-Exchange Membrane Reactor: A Step toward the Electrification of Fine-Chemical Production (2023)
  • 著者名/発表者名: Yugo Shimizu, Juri Harada, Atsushi Fukazawa, Tomohiro Suzuki, Junko Kondo, Naoki Shida, Mahito Atobeobe Mahito
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: 8 号: 2 ページ: 1010-1017
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.2c02573
  • 査読あり
• [雑誌論文] 固体高分子電解質電解技術を活用した有機電解プロセス ～有機合成プロセスの「電化」に向けたキーテクノロジー～ (2023)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 雑誌名: ファルマシア 巻: 59 ページ: 810-814
• [雑誌論文] Comparative Investigation of Electrocatalytic Oxidation of Cyclohexene by Proton-Exchange Membrane and Anion-Exchange Membrane Electrolyzers (2022)
  • 著者名/発表者名: Shida Naoki、Atobe Mahito、Ido Yuto、Shimizu Yugo
  • 雑誌名: Synthesis 巻: 55 号: 18 ページ: 2979-2984
  • DOI: 10.1055/a-2000-8231
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pd?H Species on Electrode Stabilized by Solvent Co-Adsorption: Observation by Operando IR Spectroscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Kondo Junko N.、Ge Shuo、Suzuki Tomohiro、Osuga Ryota、Matsumoto Takeshi、Yokoi Toshiyuki、Shimizu Yugo、Fukazawa Atsushi、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 126 号: 45 ページ: 19376-19385
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c05127
  • 査読あり
• [雑誌論文] Designing Modular Assembly of Electrochemical Flow Microreactor as an Enabling Technology of Electrosynthesis in Laminar Flow (2022)
  • 著者名/発表者名: Yata Ayano、Nakamura Yuto、Okamoto Kazuhiro、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: European Journal of Organic Chemistry 巻: 2022 号: 45
  • DOI: 10.1002/ejoc.202200980
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanistic Insights into the Electrocatalytic Hydrogenation of Alkynes on Pt?Pd Electrocatalysts in a Proton-Exchange Membrane Reactor (2022)
  • 著者名/発表者名: Nogami Shuji、Shida Naoki、Iguchi Shoji、Nagasawa Kensaku、Inoue Hideo、Yamanaka Ichiro、Mitsushima Shigenori、Atobe Mahito
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 12 号: 9 ページ: 5430-5440
  • DOI: 10.1021/acscatal.2c01594
  • 査読あり
• [雑誌論文] カーボンニュートラル実現に向けたキーテクノロジー ―固体高分子電解質電解技術を活用する有機電解プロセス― (2022)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 雑誌名: 化学 巻: 77 (10) ページ: 66-67
• [雑誌論文] Integrated Flow Emulsion Electrosynthetic System by In Situ Generation of Emulsions, Subsequent Emulsion Electrolysis, and Final Phase Separation (2022)
  • 著者名/発表者名: Mikami Rio、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: Organic Process Research &amp; Development 巻: 21 号: 4 ページ: 1268-1278
  • DOI: 10.1021/acs.oprd.2c00004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of piperidine and pyrrolidine derivatives by electroreductive cyclization of imine with terminal dihaloalkanes in a flow microreactor (2022)
  • 著者名/発表者名: Naito Yuki、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: Beilstein Journal of Organic Chemistry 巻: 18 ページ: 350-359
  • DOI: 10.3762/bjoc.18.39
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Bayesian optimization with constraint on passed charge for multiparameter screening of electrochemical reductive carboxylation in a flow microreactor (2022)
  • 著者名/発表者名: Naito Yuki、Kondo Masaru、Nakamura Yuto、Shida Naoki、Ishikawa Kazunori、Washio Takashi、Takizawa Shinobu、Atobe Mahito
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 58 号: 24 ページ: 3893-3896
  • DOI: 10.1039/d2cc00124a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of Parameter Control for Electrocatalytic Semihydrogenation in a Proton-Exchange Membrane Reactor Utilizing Bayesian Optimization (2022)
  • 著者名/発表者名: Ashikari Yosuke、Tamaki Takashi、Takahashi Yusuke、Yao Yiyue、Atobe Mahito、Nagaki Aiichiro
  • 雑誌名: Frontiers in Chemical Engineering 巻: 3 ページ: 819752-819752
  • DOI: 10.3389/fceng.2021.819752
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electrochemical Trimerization of Catechol to 2,3,6,7,10,11-Hexahydroxytriphenylene Using a Flow Microreactor (2021)
  • 著者名/発表者名: NAKAMURA Yuto、SATO Yasushi、SHIDA Naoki、ATOBE Mahito
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 89 号: 4 ページ: 395-399
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.21-00053
  • NAID: 130008062334
  • ISSN: 1344-3542, 2186-2451
  • 年月日: 2021-07-05
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Triple‐phase Boundary in Anion‐Exchange Membrane Reactor Enables Selective Electrosynthesis of Aldehyde from Primary Alcohol (2021)
  • 著者名/発表者名: Ido Yuto、Fukazawa Atsushi、Furutani Yuka、Sato Yasushi、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: ChemSusChem 巻: 14 号: 24 ページ: 5405-5409
  • DOI: 10.1002/cssc.202102076
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anodic substitution reaction of carbamates in a flow microreactor using a stable emulsion solution (2021)
  • 著者名/発表者名: Mikami Rio、Nakamura Yuto、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: Reaction Chemistry and Engineering 巻: 6 号: 11 ページ: 2024-2028
  • DOI: 10.1039/d1re00403d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrocatalytic hydrogenation of benzoic acids in a proton-exchange membrane reactor (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukazawa Atsushi、Shimizu Yugo、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: Organic and Biomolecular Chemistry 巻: 19 号: 34 ページ: 7363-7368
  • DOI: 10.1039/d1ob01197a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Integrated Flow Synthesis of α-Amino Acids by <i>In Situ</i> Generation of Aldimines and Subsequent Electrochemical Carboxylation (2021)
  • 著者名/発表者名: Naito Yuki、Nakamura Yuto、Shida Naoki、Senboku Hisanori、Tanaka Kenta、Atobe Mahito
  • 雑誌名: The Journal of Organic Chemistry 巻: 86 号: 22 ページ: 15953-15960
  • DOI: 10.1021/acs.joc.1c00821
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrolytic oxidation of 1H-1,2,4-triazole, 3-amino-1,2,4-triazole, and 4-amino-1,2,4-triazole for energetic material synthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Mori Kanae、Kumasaki Mieko、Atobe Mahito
  • 雑誌名: Science and Technology of Energetic Materials 巻: 82 号: 2 ページ: 44-49
  • DOI: 10.34571/stem.82.2_44
  • NAID: 130008037386
  • ISSN: 0368-5977, 1347-9466, 2434-6322
  • 査読あり
• [学会発表] Electrocatalytic Hydrogenation Reactions Using a Solid Polymer Electrolyte (SPE) Reactor (2023)
  • 著者名/発表者名: Mahito Atobe
  • 学会等名: International Joint Symposium on Synthetic Organic Chemistry 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 固体高分子電解質電解技術が革新する新たな有機電解プロセス (2023)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 学会等名: 第13回CSJ化学フェスタ
  • 招待講演
• [学会発表] フローリアクターが革新する新たな有機電解プロセス (2023)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 学会等名: 第７回FlowSTシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] フローリアクターが革新する新たな有機電解合成プロセス (2022)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 学会等名: 2022 年度有機合成化学講習会
  • 招待講演
• [学会発表] Organic Electrosyntheses Using a Proton Exchange Membrane (PEM) Reactor (2022)
  • 著者名/発表者名: Mahito Atobe
  • 学会等名: International Symposium on Innovative Reactions through Controlling Electrons (ISIRCE)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Integrated Flow Emulsion Electrosynthetic System for Oxidation of Hydrophobic Amines (2022)
  • 著者名/発表者名: Mahito Atobe, Rio Mikami, Naoki Shida
  • 学会等名: The 15th International Symposium on Organic Reactions (ISOR-15)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electrochemical C-N Coupling Reaction Mediated by π-Extended Iodoarene Catalyst (2022)
  • 著者名/発表者名: Naoki Shida, Shohei Yoshinaga, Mahito Atobe
  • 学会等名: 9th German-Japanese Symposium on Electrosynthesis
  • 国際学会
• [学会発表] Bayesian Optimization for Multiparameter Screening of Electrosynthetic Processes in a Flow Microreactor (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuto Nakamura, Yuki Naito, Kazuhiro Okamoto, Naoki Shida, Mahito Atobe
  • 学会等名: 9th German-Japanese Symposium on Electrosynthesis
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Integrated Flow Emulsion Electrosynthetic System for Oxidation of Hydrophobic Amines (2022)
  • 著者名/発表者名: Mahito Atobe, Rio Mikami, Naoki Shida
  • 学会等名: 9th German-Japanese Symposium on Electrosynthesis
  • 国際学会
• [学会発表] Development of Integrated Flow Emulsion Electrosynthetic System (2022)
  • 著者名/発表者名: Mahito Atobe, Rio Mikami, Naoki Shida
  • 学会等名: 17th Meeting of the European Society of Sonochemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 固体高分子電解質（SPE）電解技術が革新する有機電解合成プロセス (2022)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 学会等名: 第30回グリーンケミストリーフォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] Anodic Substitution Reaction of Carbamates in a Flow Microreactor Using a Tandem Acoustic Emulsified Solution (2021)
  • 著者名/発表者名: Rio Mikami, Yuto Nakamura, Naoki Shida, Mahito Atobe
  • 学会等名: ESS-JSS-AOSS 1st Joint Sonochemistry Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Organic Electrosynthetic Reactions Using a Proton-Exchange Membrane (PEM) Reactor (2021)
  • 著者名/発表者名: Mahito Atobe, Atsushi Fukazawa, Naoki Shida
  • 学会等名: 72nd ISE Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electrocatalytic Nuclear Hydrogenation of Benzoic Acids in a Proton Exchange Membrane Reactor (2021)
  • 著者名/発表者名: Mahito Atobe, Atsushi Fukazawa, Naoki Shida
  • 学会等名: 239th ECS Meeting
  • 国際学会
• [図書] 有機電解合成の新潮流 (2021)
  • 著者名/発表者名: 淵上寿雄、跡部真人、稲木信介
  • 総ページ数: 340
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781316260
• [備考] 跡部研究室ホームページ
  • URL: http://www.atobe-lab.ynu.ac.jp
• [産業財産権] 環状アミンの製造装置及び環状アミンの製造方法 (2023)
  • 発明者名: 跡部真人、信田尚毅、清水勇吾
  • 権利者名: 跡部真人、信田尚毅、清水勇吾
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2023
  • 外国
• [産業財産権] 環状アミンの製造装置及び環状アミンの製造方法 (2022)
  • 発明者名: 跡部真人、信田尚毅、清水勇吾
  • 権利者名: 跡部真人、信田尚毅、清水勇吾
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2022-134327
  • 出願年月日: 2022