[スポンサーリンク]

ケムステニュース

カチオン中間体の反応に新展開をもたらす新規フロー反応装置の開発

[スポンサーリンク]

京都大学大学院工学研究科の永木愛一郎 准教授、宅見正浩 同研究員、阪上穂高 同修士課程学生らの研究グループは、世界に先駆けてわずか数秒での電気分解が可能な新規フロー反応装置の開発に成功し、医薬品およびその他有用な化合物の迅速合成を達成しました。 (引用:京都大学プレスリリース1月5日)

京都大学より短時間の電気分解でカチオン種を発生させて、基質と反応させる新規フロー反応装置開発の研究成果が発表されましたので紹介させていただきます。

研究の背景ですが、カチオンやアニオンといった不安定な中間体は、強力で用途が広い化学種として合成化学では認識されており、この発生や反応をコントロールすることで現在でも新たな反応が報告されています。一方、フラッシュケミストリーは、マイクロリアクターを用いてフロー型の系内で不安定な化学種を発生させ、そこに基質を投入して即座に反応させる方法のことを指し、バッチタイプの合成方法では達成できなかった反応を収率よく進行させることに成功しています。

フラッシュケミストリーでの反応例(出典:Benzyllithiums bearing aldehyde carbonyl groups. A flash chemistry approach

一方、電気化学も活性な化学種を発生させる方法として研究が進められており、電気化学においては反応基質を使うより反応が極めてシンプルであることと電子移動が二つの電極で行われて不可逆な変換をもたらすのが強みであり、様々な研究成果が報告されています。しかしながら、バッチによる電気化学反応装置では装置の関係上、短い時間で寿命の短い中間体を発生させて反応させることは原理的に難しいとされています。

電解合成におけるプロセスとパラメータ(出典:Electrifying Organic Synthesis

そんな中、電気化学とフローケミストリーを組み合わせた装置で反応効率を向上させた例がいくつか報告されています。この方法においても多くのケースで、フローレートを遅くしたり、チャンネルの長さを長くしたり基質をリサイクルしたりしていて、電気分解の時間を稼ぐためにフローケミストリーの効率を落とす必要があります。

電気化学とフローケミストリーを組み合わせた装置での反応例と条件ごとの収率の違い(出典:Development and Assembly of a Flow Cell for Single-Pass Continuous Electroorganic Synthesis Using Laser-Cut Components

このような状況の中、本研究では数秒で電気分解が終わるような反応装置の開発を行い、電気化学的な酸化反応によってカルボカチオンを発生させて、それが分解する前に求核剤と反応させることを目指しました。

本研究で使用した実験装置は下の図であり、原料が電解槽を通過すると陽極酸化によってカルボカチオンに変化し、次のポイントで反応剤が投入されて生成物が発生します。電解質はBu4NBF4が使われ、電気分解を促進させるために電解槽の陰極にはTfOHの溶液が流されました。実験としては最初にフローチャンネルの最適化を行いました。電解槽のチャンネルを太くして電極も大きくするとフローレートを上げても目的物の収率を維持でき、フローチャンネルの体積とフローレートから計算される電解時間において3秒での反応の成功しました。

実験装置図、原料と反応剤は論文終盤に登場する医薬品合成のデモの場合であり実験条件のた草では、2-((4-Fluorophenyl)thio)tetrahydrofuranからカチオン種を精製させ1-phenyl-1-(trimethylsilyloxy)ethyleneを作用させている。また電解槽の陰極にはTfOHの溶液が流されている。(出典:京都大学プレスリリース

次に、フローレートと反応温度を変えて収率を比較しました。カチオン発生にかかる時間が長いと、反応温度を上げていくとカチオンの安定性の影響で収率は低下しますが、発生にかかる時間が短いと、反応温度を上げても収率が変化せず、5秒以下の発生時間(フローレートが7 mL/minの時)では0℃の反応温度でも高い収率が示されました。

条件検討で行った反応、Ar=p-FC6H4

 

Flow rateが高いほど発生にかかる時間は短いことになる

さらに基質を変えてバッチでの反応と収率を比較しました。フローでは概ね高い収率が示されましたが、バッチでは示された反応の収率は低く、本研究の方法の優位性が示されました。特に、Boc基を持つN-acyliminiumイオンは、電気生成された酸によって容易に分解されるものの、本研究の電気分解フローでは求核剤と反応して目的生成物が高い収率で得られました。

バッチ条件との収率の比較の一部、求核剤は1-phenyl-1-(trimethylsilyloxy)ethylene

さらに不安定なカチオンについても実験が行われ、目的の生成物が高い収率で得られることが確認されました。グリコールからグリコシルカチオンを発生させる先行研究は、酸化剤を使った場合ではいくつか報告されているものの電気化学では報告が無く、本研究の手法では、求核剤との反応で目的の反応物を得ることに成功しています。

基質を変えた反応の結果の一部

最後に医薬品合成のデモとしてリタリン前駆体の合成を行いました。一時間の反応で83%の収率で2.3gの目的物が得られました。反応自体の完結は19秒のみ必要ということで、必要なタイミングで必要な分だけ合成することができる技術になるとコメントされています。

リタリン前駆体の合成(出典:京都大学プレスリリース

まとめとして著者らは数秒で電気分解で寿命が短いカルボカチオンを発生させ、分解する前に求核剤と反応できるフロー電気化学リアクターの開発に成功しました。このシステムにより医薬品の合成に必要な前駆体を必要な分だけ迅速に合成できるとしています。

電気化学とフラッシュケミストリーの組み合わせにより、安定に存在できないカチオンを発生させて、なおかつ求核剤との反応で目的物を収率よく得られたことは、大きな成果だと思います。中間体の取り扱いは難しく、不安定な状態だと分解してしまい、逆に安定になりすぎると目的の反応が進行しない場合もありますので、シンプルな系でカチオンへの求核反応が進行している点は大変興味深いです。サポーティングインフォメーションには器具の写真が掲載されていますが、電気分解槽はオリジナルの装置のようで、研究室でのノウハウの蓄積があると予想されます。この手法を応用してより様々なカチオンを生成させ、それを反応へ応用する研究が発展することを期待します。

論文の冒頭には、「In memory of Professor Jun-ichi Yoshida」とこの分野で著名な業績を残し、2019年に亡くなられた吉田潤一京都大学名誉教授を追悼するメッセージが加えられています。

関連書籍

[amazonjs asin=”4807909924″ locale=”JP” title=”有機合成のためのフロー化学”] [amazonjs asin=”4781316158″ locale=”JP” title=”フローマイクロ合成の最新動向 (ファインケミカルシリーズ)”]

関連リンク

Avatar photo

Zeolinite

投稿者の記事一覧

ただの会社員です。某企業で化学製品の商品開発に携わっています。社内でのデータサイエンスの普及とDX促進が個人的な野望です。

関連記事

  1. 京のX線分析装置、国際標準に  島津製・堀場、EU環境規制で好調…
  2. 韮崎大村美術館が27日オープン 女性作家中心に90点展示
  3. 中皮腫治療薬を優先審査へ
  4. 超小型シリンジ開発 盛岡の企業
  5. 2011年10大化学ニュース【後編】
  6. 韓国に続き日本も深刻化?トラック運送に必要不可欠な尿素水が供給不…
  7. 国際シンポジウム;創薬・天然物―有機合成化学の展望―
  8. 直径100万分の5ミリ極小カプセル 東大教授ら開発

注目情報

ピックアップ記事

  1. ラッセル・コックス Rusesl J. Cox
  2. 武田薬品、糖尿病薬「アクトス」に抗炎症作用報告
  3. タンパクの骨格を改変する、新たなスプライシング機構の発見
  4. プラテンシマイシン /platensimycin
  5. 多置換ケトンエノラートを立体選択的につくる
  6. 逆電子要請型DAでレポーター分子を導入する
  7. マクコーマック反応 McCormack Reaction
  8. 誰かに話したくなる化学論文2連発
  9. データケミカル株式会社ってどんな会社?
  10. ティム・スワガー Timothy M. Swager

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2022年2月
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
28  

注目情報

最新記事

粉末 X 線回折の基礎知識【実践·データ解釈編】

粉末 X 線回折 (powder x-ray diffraction; PXRD) は、固体粉末の試…

異方的成長による量子ニードルの合成を実現

第693回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院理学系研究科(佃研究室)の髙野慎二郎 助教にお願…

miHub®で叶える、研究開発現場でのデータ活用と人材育成のヒント

参加申し込みする開催概要多くの化学・素材メーカー様でMI導入が進む一…

医薬品容器・包装材市場について調査結果を発表

この程、TPCマーケティングリサーチ株式会社(本社=大阪市西区、代表取締役社長=松本竜馬)は、医…

X 線回折の基礎知識【原理 · 基礎知識編】

X 線回折 (X-ray diffraction) は、原子の配列に関する情報を得るために使われる分…

有機合成化学協会誌2026年1月号:エナミンの極性転換・2-メチル-6-ニトロ安息香酸無水物(MNBA)・細胞内有機化学反応・データ駆動型マルチパラメータスクリーニング・位置選択的重水素化法

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2026年1月号がオンラインで公開されています。…

偶然と観察と探求の成果:中毒解毒剤から窒素酸化物を窒素分子へ変換する分子へ!

第692回のスポットライトリサーチは、同志社大学大学院理工学研究科(小寺・北岸研究室)博士後期課程3…

嬉野温泉で論文執筆缶詰め旅行をしてみた【化学者が行く温泉巡りの旅】

論文を書かなきゃ!でもせっかくの休暇なのでお出かけしたい! そうだ!人里離れた温泉地で缶詰めして一気…

光の強さで分子集合を巧みに制御!様々な形を持つ非平衡超分子集合体の作り分けを実現

第691回のスポットライトリサーチは、千葉大学大学院 融合理工学府 分子集合体化学研究室(矢貝研究室…

化学系研究職の転職は難しいのか?求人動向と転職を成功させる考え方

化学系研究職の転職の難点は「専門性のニッチさ」と考えられることが多いですが、企業が求めるのは研究プロ…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP