電気を用いて金属廃棄物を大幅に削減した連続フロー反応を実現

2023-05-23 東京大学

小林修(化学専攻教授)

山下恭弘(化学専攻准教授)

安川知宏(研究当時:GSC社会連携講座特任助教、現:パリ市立工業物理化学学校博士研究員)

発表のポイント

電気化学を用いる連続フロー反応を開発し、現行法に比べて金属廃棄物の大幅削減を達成した。
電極として窒素ドープ炭素上に担持した単原子亜鉛を用いることで、電極上の亜鉛種の漏出を大幅に抑制することができ、亜鉛種のリサイクルを実現した。
医薬品や農薬、機能性化学品の連続合成への展開、金属廃棄物削減による脱炭素社会への貢献が期待される。

本研究の概要図

発表概要

東京大学大学院理学系研究科の小林教授、山下准教授、安川元特任助教らの研究グループは、電気化学を用い、現行法に比べて金属廃棄物を大幅に削減した連続フロー反応を開発した。連続フロー反応^(注1)は、フラスコやタンク等を用いて反応を行う従来のバッチ法とは異なり、カラムやループに原料と反応剤を流通させて行うため、効率性、安全性、生産性などに優れており、次世代の有機合成手法として期待されている。一方、有機合成化学においては、目的とする化合物を合成するにあたり、有機金属化合物^(注2)が多用されているが、大量に発生する金属廃棄物の処理が問題になっている。これに対して、電極を用いる電気化学的有機合成反応^(注3)は、反応において電子を直接反応剤として用いる反応であり、反応後に副生する廃棄物を削減できるクリーンな反応である。しかしながら、これまで有機金属化合物を用いる電気化学的有機合成反応では大量の金属廃棄物が副生し、また、連続フロー反応を実現した例はなかった。これに対して本研究では、新たに構築した金属種を電極として用い、有機金属化合物の反応において現行法に比べて金属廃棄物の大幅削減を実現する、連続フロー反応を開発した。

新たな電極上の金属活性種として、担持する金属を従来のナノ粒子ではなく単原子にした窒素ドープ炭素(Nitrogen-Doped Carbon, NDC, ^注4)担持単原子金属^(注5)に着目し、亜鉛原子が平均 4 つの窒素原子に配位した窒素ドープ炭素担持単原子亜鉛を構築した。これを電極として用いて、イミン^(注6)のアリルブロミドによるアリル化反応^(注7)を電気化学的連続フロー条件下で行ったところ、最小限の亜鉛漏出で長時間にわたって連続的に目的物を高収率で得ることができた。また、この反応では亜鉛は触媒的にリサイクルしていることが分かり、その触媒回転数(TON)^(注8)は対応するバッチでの反応に比べて約5倍であった。本系により、最小限の金属廃棄物で目的物を連続的に得ることができ、環境にやさしい炭素―炭素結合生成反応を連続フロー条件下にて実現することができた。本研究によって、医薬品や農薬、機能性化学品の連続合成への展開、金属廃棄物削減による脱炭素社会への貢献が期待される。

発表内容

<研究の背景>

環境汚染、エネルギーの浪費が問題となっている昨今の状況において、グリーン・サスティナブルケミストリーの実現は有機合成化学者にとって重要な使命の一つである。一方で医薬品や農薬、機能性化学品等のファインケミカルズの供給は人類の福祉を維持していくために必要不可欠なものであり、その迅速な供給が社会から強く望まれている。しかし、これまでに多くの化学産業がさまざまな製品を生み出し市場に供給しているが、このような製品の生産に伴い副生する二酸化炭素の放出や、有害な金属を含む廃棄物の発生が地球環境に大きな影響を与えることが社会問題になっている。よって有機合成化学の観点からは、廃棄物を最小限に抑え、かつ持続可能なエネルギーを用いる反応手法を開発していく必要がある。

有機合成手法の一つである連続フロー反応は、フラスコやタンク等を用いて反応を行う従来のバッチ法とは異なり、カラムやループに原料と反応剤を流通させながら行うため、効率性や安全性、生産性の観点から迅速かつ多量に有機化合物を合成するために適した次世代の有機合成手法である。また、少ないスペースで容易に合成のスケールアップが可能であることから、経済性の観点からも重要視されている。さらに、目的物を欲しい時に必要な量だけ合成することのできるオンデマンド性を有しているため、余剰生産物の削減にも繋がり、廃棄物の少ない環境調和型有機合成手法であると言える。

有機金属試薬はその高い反応性のため、有機分子の基本骨格を構築するための炭素―炭素結合形成反応において幅広く用いられており、有機合成化学において必須な試薬である。しかしながら、その使用後に大量に発生する金属廃棄物の処理が問題となっていた。よって、有機金属試薬を用いて金属廃棄物を発生させずに進行する炭素―炭素結合形成反応は、有機合成化学において理想的な分子骨格構築反応であると言える。

また、電極を用いる電気化学的有機合成反応は、反応において電子を直接反応剤として用いる反応であり、反応後に副生成物が少ないことから、従来の有機合成反応に比べて廃棄物を削減できるクリーンな反応である。さらに、電子は再生可能エネルギーから電力として直接供給できるため、クリーン・サスティナブルケミストリーの概念にも合致している。しかしながら、これまで有機金属化合物を用いる電気化学的有機合成反応では、大量の金属廃棄物が副生してしまっていた。さらに、本反応の連続フロー反応を実現した例はなかった。

<研究の内容>

今回の研究では、新たな手法で担持した金属を電極として用いる電気化学的フロー反応を開発した。窒素ドープ炭素は、その強い金属―窒素相互作用によって担持した金属種を大幅に安定化することができるため、ナノ粒子金属^(注9)や単原子金属を担持するための魅力的な不溶性担体^(注10)である。さらに、その導電性から電極の材料としてしばしば用いられてきた。ここで発表者らは、窒素ドープ炭素に担持する金属種を従来のナノ粒子ではなく単原子にした窒素ドープ炭素担持単原子金属に着目した。窒素ドープ炭素担持単原子金属は強い金属―担体相互作用を有し、また金属を単原子化することにより原子利用効率を最大化する設計で最近注目されている。また、炭素上の窒素原子が金属原子に強固に結合することが期待できるため、バルクの金属や窒素ドープ炭素担持ナノ粒子金属に比べて、その漏れ出しを大きく抑制できる可能性がある。この金属種も窒素ドープ炭素担持ナノ粒子金属と同様に電気化学の分野で電極として研究されている一方で、その用途はエネルギー分野の反応への応用に限られており、電気化学的有機合成反応、さらには電気化学的連続フロー炭素―炭素結合生成反応への応用はなされていなかった。そこでこの金属担持方法を亜鉛金属の担持に適用し、電気化学的連続フロー炭素―炭素結合生成反応の開発を行った。

亜鉛原子が平均 4 つの窒素原子に配位した単原子亜鉛 (Zn-N-C)の調製を試みたところ、zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8)の焼成を利用して調製した金属

有機構造体(MOF)^(注11)が良い結果を与えることを見出し、最後に塩酸を用いた酸処理を行うことによって有効な窒素ドープカーボン担持単原子亜鉛(Zn-N-C/HCl)を構築することができた。構築した担持亜鉛種を電極として用いてイミンのアリルブロミドを用いるアリル化反応の検討を行ったところ、反応が高収率で進行し、亜鉛種の漏出も大幅に抑えられていることを明らかにした(図1)。

図1:窒素ドープ炭素担持単原子亜鉛を用いるイミンの電気化学的アリル化反応

そこでこの反応系を連続フロー反応に展開した。フローチャネル内でZn-N-C/HCl電極を陰極に、Ptを陽極に固定し、基質の溶液を一定電圧下で電極の間を流通させたところ、目的のホモアリルアミンを最小限の亜鉛漏出で50 時間にわたって連続的に高収率で得ることができた(図2)。また、その触媒回転数(TON)は9.0であり、この反応では亜鉛は触媒的にリサイクルしていることが分かった。この回転数は対応するバッチでの反応に比べて約5倍であった。

図2:電気化学的連続フロー反応

以上、今回電極に固定された窒素ドープ炭素担持単原子亜鉛(Zn-N-C/HCl)を用いるイミンの電気化学的連続フローアリル化反応を開発した。本系では最小限の金属廃棄物で連続的に目的物を合成することができ、環境にやさしい炭素―炭素結合生成反応を実現することができた。この研究によって連続フロー触媒的炭素―炭素結合形成反応の新しい可能性を見出すことができた。

<今後の展望>

本研究で得られた成果により、窒素ドープ炭素上に担持された単原子金属を有する電極が、電気化学的連続フロー反応において金属の漏出を最小限にしつつ触媒的に機能することが明らかになった。本研究によって、医薬品や農薬、機能性化学品の連続合成への展開、金属廃棄物削減による脱炭素社会への貢献が期待される。

論文情報

雑誌名 Journal of the American Chemical Society論文タイトル Heterogeneous Single-Atom Zinc on Nitrogen-Doped Carbon Catalyzed Electrochemical Allylation of Imines 著者 Ryusuke Masuda, Tomohiro Yasukawa,* Yasuhiro Yamashita, Tei Maki, Tomoko Yoshida and Shū Kobayashi* DOI番号