| 研究課題/領域番号 |
22K05182
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分34030:グリーンサステイナブルケミストリーおよび環境化学関連
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
仙北 久典 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50241360)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
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| キーワード | 電解カルボキシル化反応 / 二酸化炭素 / 有機電解合成 / α-フェニル-β-アラニン / β-フェニル-β-アラニン / アスパラギン酸誘導体 / ジアリールメタノール / ジアリール酢酸 / 芳香族置換エナミド / 環境調和型合成 / 二酸化炭素固定 / β-アミノ酸 / 資源の再利用 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
炭素資源の再利用・二酸化炭素の有効利用ならびにSDGsへの積極的な参加が叫ばれる中、
有機合成を含めたものづくりは環境に配慮・調和しつつ持続可能な手法により行われること
が求められている。本研究では、環境調和型有機合成反応である有機電解合成法を用いて二酸化炭素をカルボキシル基の炭素源として利用し、アスパラギン酸誘導体を含むβ-アミノ酸を、金属試薬を用いることなく効率よく合成することを目的としている。目的通りの成果が得られれば、新規環境調和型の合成プロセスとして有機合成化学やグリーンケミストリー、炭素資源の再利用化など多方面に大きな波及効果が見込まれる。
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| 研究実績の概要 |
芳香族エナミド（α-アセチルアミノスチレン）の電解ジカルボキシル化反応によるアスパラギン酸誘導体の合成反応では、生成物をジカルボン酸として単離精製することは困難であった。今年度は、基質汎用性を優先的に確認することとし、各種芳香族メチルケトンより合成したエナミド類に関して検討を行った。その結果、芳香環上に塩素原子を有するエナミドからは目的のアスパラギン酸は確認できなかったが、芳香環上にo-Me（66%）、p-CO2Me（72%）、m-NHAc（49%）、p-OMe（71%）、p-OC8H17（78%）を有するエナミドからは相当するアスパラギン酸誘導体が、カッコ内に示した１H NMR収率で生成していることを確認し、本反応の汎用性を示すことに成功した。一方、芳香環上が無置換のジカルボン酸を無水酢酸で処理することにより相当する酸無水物とした後にカラムクロマトグラフィーにて単離精製したところ、電解ジカルボキシル化と酸無水物形成の2段階ではあるが、収率58%でアスパラギン酸無水物を得ることに成功した。
一方、同様の芳香族エナミド（α-アセチルアミノスチレン）を基質として反応系内に少量の水存在下に二酸化炭素をバブリングしながら定電流電解を行うと、エナミドのアルケン部位の末端炭素原子上にのみ二酸化炭素が固定化されたモノカルボン酸であるβ-フェニル-β-アラニンを得ることができた。スチレン類のβ位選択的な電解ヒドロカルボキシル化反応は数例が知られているが、エナミドを用いたアミノ酸の合成への応用は世界で初めての例である。
また、白金陰極、マグネシウム陽極を備えた一室型セルを用い、DMSOを溶媒として室温で二酸化炭素をバブリングしながらベンジルアルコールの定電流電解を行ったところ、ベンジル位のC(sp3)－OH結合を還元的に開裂してベンジルアルコールから一段階でフェニル酢酸を得ることに成功した。
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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
エナミドの電解ジカルボキシル化反応は、すべての生成物の単離精製には至ってはいないものの、芳香環上が無置換の基質では相当するアスパラギン酸誘導体を酸無水物へと変換し、収率58%で単離精製に成功した。また、様々な基質を用いても同様の反応が1H NMRの収率ではあるが効率よく良く進行していることは確認済である。従って、従来の分液操作での塩基抽出を用いる手法では単離精製が困難であったアスパラギン酸誘導体の粗生成物を酸無水物とすることで、様々な基質由来のアスパラギン酸誘導体の単離精製も可能になると考えている。
また、同じ基質であるエナミド類の電解カルボキシル化反応において少量の水を加えて反応条件を微調整することによりβ-フェニル-β-アラニンの合成にも成功している。さらには、電解カルボキシル化反応による新たなβ-アミノ酸類合成の発案・準備実験にも取り掛かっており、本手法が二酸化炭素からβ-アミノ酸類を合成する非常に有効な手法であることを明確に示すことが予想されている。
一方、C(sp3)-OH結合の電解還元的開裂による二酸化炭素の捕捉によるベンジルアルコールからフェニル酢酸の環境調和的一段階合成にも成功している。
以上のことから、おおむね順調に進行していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
エナミド類の電解ジカルボキシル化反応によるアスパラギン酸類の合成に関しては、反応条件ならびに基質適応範囲の検討は1H NMR収率での検討をほぼ終えている。今後は、無置換のアスパラギン酸誘導体を酸無水物として単離した手法を用いてDMFと支持電解質であるBu4NBF4を含む粗生成物を無水酢酸で処理することにより酸無水物としてカラムクロマトグラフィーによる単離を検討し、基質適応範囲における単離収率を決定する。また、水存在下におけるエナミド類の電解モノカルボキシル化によるβ-フェニル-β-アラニン類の合成についても反応条件の検討は終わっており、次年度は単離精製方法ならびに基質適応範囲に関して検討を行う予定である。また、β-アミノ酸の新規合成に関する知見を明示するための基質や実験条件の検討などを行う。
一方、ジアリールメタノールの電解カルボキシル化によるジアリール酢酸の一段階合成について、ベンジルアルコールの電解反応条件から微修正したのちに、基質適応範囲の検討へと展開していく予定である。
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