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北海道大学 化学反応創成研究拠点 (WPI-ICReDD)
北海道大学 大学院工学研究院
伊藤 肇
メカノケミカル合成の夜明け
The rise of mechanochemical synthesis
2020年5月1日
ケムステバーチャルシンポジウム
【最先端有機化学】
↑本講演の情報サイト
有機合成では溶媒が必要....
 精製された有機溶媒、窒素ガス環境や
温度の精密コントロールが必要
 巨大化する反応装置、安全管理、溶媒由来
の廃棄物発生、コスト・環境負荷上昇
 溶けない化合物の有機合成は難しい
https://www.indiamart.com/proddetail/chemical-reactor-9240235297.html
2
有機合成に溶媒は本当に必要か?
 2つの固体反応剤
の反応を考える。
+
 分子が自由に拡散
・衝突できる環境
 よく混ざれば無溶媒
でも反応は進む?
 固体のままでは
うまく反応しない
”だろう”
3
メカノケミストリー: 新しい有機合成手法
 ボールミル内で強力に撹拌
• 有機溶媒不要
• 反応操作がシンプル
• 溶液中とは異なる反応環境
• 有機合成への応用は以前より細々と
報告されている
 ごく最近になって、
発表数が増えてきている。
ボールミル装置
(MM400)
左右の振動で
ミキシング
ステンレス製
反応容器とボール
0
20
40
60
80
100
120
20182013200820031998
論文数の推移
4
Wang, G.-W.; Komatsu, K.; Murata, Y.; Shiro, M., Nature 1997, 387, 583.
Tan, D.; Garcia, F., Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2274-2292; Robertson, J. C.; Coote, M. L.; Bissember, A. C., Nature Reviews Chem.
2019, 3, 290-304; Bolm, C.; Hernandez, J. G., Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3285-3299.; Tan, D.; Friščić, T., Eur. J. of Org. Chem. 2018, 2018, 18-33;
Howard, J. L.; Cao, Q.; Browne, D. L., Chem. Sci. 2018, 9, 3080-3094.; Andersen, J.; Mack, J., Green Chem. 2018, 20, 1435-1443.; Hernandez, J. G.;
Bolm, C., J. Org. Chem. 2017, 82, 4007-4019.; Zhu, S. E.; Li, F.; Wang, G. W., Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 7535-70.; Wang, G. W., Chem. Soc. Rev. 2013,
42, 7668-700.; James, S. L.; Adams, C. J.; Bolm, C.; Braga, D.; Collier, P.; Friscic, T.; Grepioni, F.; Harris, K. D.; Hyett, G.; Jones, W.; Krebs,
A.; Mack, J.; Maini, L.; Orpen, A. G.; Parkin, I. P.; Shearouse, W. C.; Steed, J. W.; Waddell, D. C., Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 413-47.;.Friščić, T., J.
Mat. Chem. 2010, 20.;.Kaupp, G., CrystEngComm 2009, 11, 388-403.
Reviews
ボールミルを用いた反応
 C60の二量化(小松・Wang)
 SUS304 による還元(左治木)
5
Sawama, Y.; Sajiki, H. et al, ChemSusChem 2015, 8, 3773.
Sawama, Y.; Yasukawa, N.; Ban, K.; Goto, R.; Niikawa, M.; Monguchi, Y.; Itoh, M.; Sajiki, H., Org Lett 2018, 20, 2892.
KCN
(20 equiv)
ball-milling,
30 min
under N2
C60
18 %
▶ 有機合成への本格的な応用は未知数
PhPh
Ph Ph
O
Ph
Ph
HH
H H
Ph Ph
OHHplanetary ball mill
SUS 304 ball, H2O
ボールミルのセットアップ
6. Grinding started. 5. The jar was placed
in Retch MM 400.
4. The jar was
closed.
3. Olefin was added
via syringe.
2. Chemicals were
added.
1. Ball was added
in the milling jar.
6
思考メモ
 研究を始める際 (2018 春)の目標として...
• 実用的な反応・よく知られた反応をターゲットにしながら
ボールミル反応の特徴を明らかにする。
• 単にコスト・環境調和を目指すのではなく、
「ボールミルでしかできない」反応性・選択性を探す。
• 1-2年の「試験航海」の後、明確な研究の方向性を確立する。
7
久保田 浩司
特任助教
from MIT
2018から参加
Cl + H2N
Na(O-t-Bu) (2.0 equiv)
milling (30 Hz), Na2SO4
in air, 3 hLiquid
(1.2 equiv)
NH
54%
Pd(OAc)2
(2 mol%)
XPhos (4 mol%)
Me
Me iPr
iPrCy2P
iPr
XPhos
Liquid
C–N クロスカップリング反応
 ボールミルを用いたクロスカップリング反応は報告があった。
8
Shao, Q.-L.; Jiang, Z.-J.; Su, W.-K. Tetrahedron Lett. 2018, 59, 2277.
Br + OHN
N N
R R
R R
Pd
N
Cl Cl
K(O-t-Bu) (2.0 equiv)
milling (30 Hz), sand
in air, 3 h
Liquid
(1.2 equiv)
91%
(1 mol%)Cl
Liquid R = i-pent
ON
Cao, Q.; Nicholson, W. I.; Jones, A. C.; Browne, D. Org. Biomol. Chem. 2019, 17, 1722.
O2N Br + (HO)2B
10%, Pd/C (1.5 mol%)
Cs2CO3
(1.5 equiv)
neat, 100 °C, 24 h
92 %
O2N
solid solid
Y.Monguchi, Y. Fujita, S. Hashimoto, M. Ina, T. Takahashi, R. Ito, K. Nozaki, T. Maegawa, H. Sajiki
Tetrahedron, 2011, 67, 8628.
▶ 加熱が必要
ボールミル・固体と液体の反応性の違い
 液体と固体の基質の反応
9
H
N+
5 mol % Pd(OAc)2
5 mol % t-Bu3P
Na(O-t-Bu) (1.5 equiv)
1.5 mL jar, 3 mm ball
milling (30 Hz)
99 min
Br
1.0 equiv
N
Liquid 95%
+
5 mol % Pd(OAc)2
5 mol % t-Bu3P
Na(O-t-Bu) (1.5 equiv)
1.5 mL jar, 3 mm ball
milling (30 Hz)
99 min
Br
Solid
H
N
1.0 equiv
N
28%
Pd(OAc)2/t-Bu3P catalytic system for the C-N cross-coupling reaction in solution:
Hartwig, J. F.; Kawatsura, M.; Hauck, S. I.; Shaughnessy, K. H.; Alcazar-Roman, L. M. J. Org. Chem. 1999, 64, 5575.
▶ 固体同士ではうまく反応しない
 固体と固体の基質同士の反応
瀬尾 珠恵さん
(D1)
ボールミルにおける条件検討とは? 10
 ジャーの大きさと仕込み量
• 1.5 mL, 5 mL, 10 mL ...
• ジャーに対する仕込み量
 ボールの大きさ・数
• 1 mm, 2.5 mm, 5 mm...
 振動の回転数
• 10 Hz ― 30 Hz
 ジャーやボールの材質
• ステンレス (SUS 304)
• メノウ
• タングステンカーバイド (WC)
• ジルコン(ZrO2)
• テフロン
 反応基質の性質
• 固体/液体、融点・レオロジー
 添加剤
• 少量の溶媒(重量比10-20%)を加え
ると反応性が改善する (LAG)
(Liquid Assisted Grinding)
 触媒
固体同士のC–N クロスカップリングに成功
+
5 mol % Pd(OAc)2
5 mol % t-Bu3P
Na(O-t-Bu) (1.5 equiv)
1.5 mL jar, 3 mm ball
additive (0.20 µL/mg)
milling (30 Hz)
99 min
Br
H
N
1.0 equiv
N
NMR yield (%)
11
46% 96% 99% 54%
16%
Me
Me
▶ オレフィンの添加により収率が劇的に向上した!
89%
Me
Me
98%
Me
92%no
additive
28%
*Liquid-assisted-grinding (LAG) additive 62 μL = 0.20 μL/mg x 308.4 mg (weight of solid reactants)
Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111.
瀬尾 珠恵さん
(D1)
固体同士のC–N クロスカップリングの一般性 12
+
5 mol% Pd(OAc)2
5 mol% t-Bu3P
Na(O-t-Bu) (1.5 equiv)
1,5-cod (0.20 µL mg
−
1
)
in air (closed)
ball mill (30 Hz), 99 min
Ar2
Ar3
Ar1
Br
N
H Ar1
Ar2
Ar3
N
71% 80%
N N
99%
N
55% 96% 90%
N N N
Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111.
N
OMe
OMe
75%
瀬尾 珠恵さん
(D1)
固体同士のC–N クロスカップリング:一般性 13
Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111.
N
NH
N
HN
N
N
Me Me
Me
Me
55%
OMe
MeO
OMe
MeO
B
62%
N
N
82%
N
S
55%
N
O
O
57%
N
瀬尾 珠恵さん
(D1)
スケールアップも容易 14
Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111.
+
2 mol % Pd(OAc)2
2 mol % t-Bu3P
Na(O-t-Bu) (1.5 equiv)
25 mL jar, 10 mm ball x 2
1.5-cod (0.20 µL/mg)
milling (30 Hz)
99 min
Br
H
N
1.0 equiv
N
Me
Me
92%
2.567 g
7 mmol
1.970 g
Me
Me
瀬尾 珠恵さん
(D1)
溶けにくい基質で反応速度が下がらない 15
Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111.
N
N
N
N
OMe
OMe
OMe
OMeMeO
MeO
MeO
MeO
Br
Br
Br
Br
+
N
MeO
OMeH
5.0 equiv
15 mol % Pd(OAc)2
15 mol % t-Bu3P
Na(O-t-Bu) (5.0 equiv)
1,5-cod (0.2 mL/mg)
under air (closed)
ball mill (30 Hz), 99 min
89%
15 mol % Pd(OAc)2
45 mol % t-Bu3P
Na(O-t-Bu) (5.2 equiv)
toluene, under N2
110 °C, 2 days
60%
Hole-transporting material for
perovskite solar cells
 ボールミル:短時間・室温
 旧来の溶液系:長時間・高温
瀬尾 珠恵さん
(D1)
鈴木カップリングでもオレフィンの添加が有効 16
+
3 mol % Pd(OAc)2
4.5 mol % DavePhos
CsF (3.0 equiv)
additive (0.12 µL/mg)
H2O (3.7 equiv)
milling (25 Hz), 99 min
Br
(HO)2B
NMe2
NMe2
NMR yield (%)0.3 mmol 1.2 equiv
no
additive
26%
22% 88% 97% 33%
76%
Me
Me
20%
Me
87% 87%
90%
90%
*Liquid-assisted-grinding (LAG) additive 33 μL = 0.12 μL/mg x 273.4 mg (weight of solid reactants)
Seo, T.; Ishiyama, T.; Kubota, K.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 8202.
▶ オレフィンの添加により収率が劇的に向上した
瀬尾 珠恵さん
(D1)
P
Me2N
Cy
Cy
DavePhos
鈴木カップリングでもオレフィンの添加が有効 17
Seo, T.; Ishiyama, T.; Kubota, K.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 8202.
59%
81%
84%
N
N
NS
N
60%
67%
92%
▶ 完全にオープンの条件で仕込むことができる
▶ 現在 100グラムスケール・<1 mol% 触媒でも反応がうまくいくことを確認
1,5-cod の効果:パラジウム錯体の安定化 18
Seo, T.; Ishiyama, T.; Kubota, K.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 8202.
without 1,5-cod
TEM image
SS 31PNMR
with 1,5-cod
TEM image
SS 31PNMR
Monomeric
intermediate
Pd NP 生成抑制
Free DavePhos
Pd NP の形成
▶ 「高濃度」条件下で起こりやすいPd(0)の凝集による不活性化を防いでいる。
思考メモ
 研究を始める際 (2018 春)の目標として...
• 実用的な反応・よく知られた反応をターゲットにしながら
ボールミル反応の特徴を明らかにする。
• 単にコスト・環境調和を目指すのではなく、
「ボールミルでしかできない」反応性・選択性を探す。
• 1-2年の「試験航海」の後、明確な研究の方向性を確立する。
 わかってきた固体反応系(ボールミル)の特徴
• 高濃度による反応加速
:固体(neat)反応系(5 M)> 溶液反応系(0.1 M ― 1 M)
• オープンで仕込める。固体の中へは気体(酸素)が入りにくい。
• ボールミルの役割:効率の良い混合ができる。分子に力を与えている?
19
久保田 浩司
特任助教
from MIT
2018から参加
溶液反応から固体反応へ
溶液反応から固体反応へ
発想の転換も必要
発想の転換:固体での反応性の違いを活用
 ボールミルでの反応性「液体基質>固体基質」を活用する
• ビスハロゲン型基質へのクロスカップリング反応
 溶液系条件
22
M
X
X
+
cross-coupling
in solution
X
X
X
M
X
X
X
+
+
▶ モノ選択的に反応させるのは難しい
✕M
X
X
+
cross-coupling
in solid
X
in situ
での結晶化 二段目の
反応を抑制?▶ 一つ反応したモノ体は原料よりの結晶性が高いはず
 ボールミル・溶媒のほとんどない条件 M
X
X
X
瀬尾 珠恵さん
(D1)
モノ選択的クロスカップリング 23
Seo, T.; Kubota, K.; Ito, H. J. Am. Chem. Soc. 2020, Just Accepted.
▶ 溶液系では7割程度、不必要なジカップリング体が生成する
▶ ボールミル反応では、90:10 の選択性、収率も高い
Br
Br
(HO)2B
NMe2
2b
1.2 equiv
1d
liquid
Pd(OAc)2
(3 mol %)
tBuXPhos (4.5 mol %)
CsF (3.0 equiv)
H2O (3.7 equiv)
Br
3d 4d
+
NMe2
NMe2
NMe2
in ball mill: 78%, 3d/4d = 90:10
in toluene: 43%, 3d/4d
= 30:70
Br
3d 4d
+
NMe2
NMe2
NMe2
適用範囲の確認:o-, m-, p-, hetero 24
Seo, T.; Kubota, K.; Ito, H. J. Am. Chem. Soc. 2020, Just Accepted.
モノ選択的クロスカップリング 25
Seo, T.; Kubota, K.; Ito, H. J. Am. Chem. Soc. 2020, Just Accepted.
Ar2
-B(OH)2
1,5-cod
ball milling
99 min
cat. Pd(OAc)2
cat. ligand
CsF, H2O
one-pot procedure
w/o work up
Ar3
-B(OH)2
ball milling
99 min
cat. Pd(OAc)2
cat. DavePhos
CsF, H2O
S
Me
O
F
F
OMe
S
Br
Ar1
Br
Ar2
Ar1
Ar3
91
first arylation
with tBuXPhos
second arylation
with DavePhos
first arylation with
tBuBrettPhos
second arylation
with DavePhos
9a
67% yield
(2 steps)
9b
61% yield
(2 steps)
PCy2
Me2N
DavePhos
S
OMe
OMe
OMe
OMe
10
54% yield
(2 steps)
anti-tumor-active
Combretastatin
A-4 analogue
second arylation
with DavePhos
first arylation
with tBuBrettPhos
瀬尾 珠恵さん
(D1)
発想の転換:酸素が固体に入りにくいことを利用 26
LnPd(0)
Pd
X
Ln
Ln
N
Pd
N
H
BrProduct
O2 H2O
溶液系の反応 固体系の反応
溶存酸素や水の影響が大きい
O2
H2O
固体内へは酸素や水が混入しづらいので
反応への影響が少ないのではないか?
 酸素に不安定な中間体
・錯体をボールミルを
使って簡便に合成したい
高橋 里奈さん
(D2)
Pd(II)錯体をPd(0)を経由して空気中で作る 27
THF (0.20 µL/mg)
milling (25 Hz)
RuPhos
(1.0 equiv)
OiPr
OiPrCy2P
Pd
TMS
TMS
+
Pd
RuPhos
Br
Br
+
1.0 equiv
in air, 30 min
cyclohexane (0.05 M)
30 min
under N2: 61%
in air: 8%
in air: 92%
Kubota, K.; Takahashi, R.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 5837.
 ボールミルは空気中で
仕込むことが出来る。
かつ溶液系より高収率
 溶液系の反応
グローブボックス仕込み
高橋 里奈さん
(D2)
Pd(II)錯体の簡便合成 28
Pd +
TMS
TMS
1.0 equiv
ball milling (25 Hz)
in air, 30 min
RuPhos (1.0 equiv)
THF (0.20 µL/mg)
X Ar Pd
Br
RuPhos
Ar
60% 74%
Pd
RuPhos
Br
CF3
Pd
RuPhos
Br
O
OMe
78% 78%
Pd
RuPhos
Br
Pd
RuPhos
Br
61%
PdRuPhos
Br
Pd
Pd
PdRuPhos
Br Br
RuPhos
Br
RuPhos
Kubota, K.; Takahashi, R.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 5837.
高橋 里奈さん
(D2)
力そのものを駆動力にした
反応設計ができないか?
発想の転換:圧電材料を使ってみる 30
 圧電材料とは
• 機械的なひずみを与えたとき電圧を発生
する物質、あるいは、逆に電圧を加える
と機械的ひずみを発生する性質を示す物
質のこと
• 例:水晶,酸化亜鉛,窒化アルミニウム,
ニオブ酸リチウム,ニオブ酸カリウム,
チタン酸バリウム、PZT(ジルコン酸チタ
ン酸鉛) セラミックス etc...
画像引用:岩谷産業・ONKTYO・SONY商品ページ
用語引用:https://kotobank.jp/word/%E5%9C%A7%E9%9B%BB%E6%9D%90%E6%96%99-26033
▶ 安価(1g 20円~)
安定・多くは無毒
メカノレドックス反応のアイデア 31
Ir[df(CF3)ppy]2(dtbpy)+
N
Ir
N
N
N
CF3
tBu
tBu
CF3
F
F
F
F
*
光励起 緩和
励起
状態
基底
状態
一電子
還元
A A
−・
DD
+・
一電子
酸化
+
 可視光フォトレドックス反応
• 一電子移動型 有機合成反応
• 2010年以降急速に発展、
現在5600報超の論文が報告
• 光照射が非効率、大スケール化
困難、脱酸素条件、色素✕
BaTiO3
e−
h+
緩和機械的
インパクト
高分極
状態
一電子
還元
A A
−・
DD
+・
一電子
酸化
低分極
状態
h+
• 光触媒の代わりに圧電材料を
活用するアイデア:ボールミルで
ピエゾ電気を発生させる
• セットアップが極めて簡便・
触媒が安価・大スケール容易
 メカノレドックス反応
B O
O
BF3F
+
V
BF4
B(pin)
R
5
(pin)B B(pin)
4
BF3B F
O
O
IV
−
N2
, −
BF4
N2BF4
R
I
1
R
メカノレドックス反応のアイデア 32
圧電材料
(チタン酸バリウム粒子)
有機化合物
機械的な力
電子の
やり取り
圧電材料が機械的な力によ
り歪み、ピエゾ電気を発生
ピエゾ電気が有機化合物に
移動し、反応を促進する。
−
N2
, −
BF4
N2BF4
R
I
1
X
−
HBF4
X
BF4
2
III
II
R R
X
R
H
3
X
R
SET from
BaTiO3
SET to
BaTiO3
SET from
BaTiO3
SET to
BaTiO3
モノ選択的クロスカップリング 33
O
N2BF4
ball milling
1a, diazonium salt
Cl O
2a, 15 equiv
BaTiO3
(5 equiv), 1 h
Cl
3a, NMR yield
1.5 mL jar, 5 mm ball
ball milling (20 Hz)
in air, 1 h
40%
反応後の様子
Pang Yadong
博士
BaTiO3無しでボールミル
▶ 反応しない
圧電性の無いセラミック(Al2O3, TiO2)
とボールミル
▶ 反応しない
BaTiO3と溶媒中で撹拌
▶ 反応しない
振動数を上げる(30Hz)
▶ 収率があがる(73%)
アリール化とボリル化、様々な基質に適用 34
3j
53% yield
3f
62% yield
3a
73% yield
3b
61% yield
3e
50% yield
3k
62% yield
3c
74% yield
3d
72% yield
3l
35% yield
3i
61% yield
3g
41% yield
3h
64% yield
47% yield
3ma/3mb
= 90:10
3n
27% yield
3o
66% yield
+
3ma 3mb
1
50% yield
3pa/3pb
= 86:14
+
3pa 3pb
O
Cl
O
Br
O
F
O
F3C
O
NC
O
O2N
O
O2N
O
NO2
O O
Me
O O
MeO
S
O2N
S
O2N
2
N
O2N
Boc
O
S
MeO
O
S
S
MeO
O S
S
MeO
O
1 2
5h
70% yield
(77% NMR)
5a
61% yield
(86% NMR)
5g
36% yield
(52% NMR)
5f
45% yield
(58% NMR)
5d
45% yield
(73% NMR)
5i
61% yield
(70% NMR)
5j
80% yield
(84% NMR)
Cl
B(pin)
Br
B(pin)
NC
B(pin)
F3C
B(pin)
B(pin)O2N B(pin)
B(pin)
MeO
B(pin)
5e
52% yield
(69% NMR)
O2N
B(pin)
Me
5c
70% yield
(85% NMR)
F
B(pin)
5b
59% yield
(75% NMR)
Pang Yadong
博士
適用範囲の拡張 35
+
BaTiO3
(5 equiv)
O
8.0 mmol 71% yield
1.1 g
O
S
MeO
O
S
MeO
O
N2BF4
ball milling (30 Hz)
in air, 1 h
▶ フォトレドックス条件:反応しない
▶ メカノレドックス条件:反応する
 溶けにくい・光を吸収する基質
 スケールアップ・グラムスケール合成
反応後の様子
+
O2N
N2BF4
O2N
BaTiO3
(5 equiv)
MeCN (0.12 µL/mg)
43% yield
visible light
DMSO, rt, 2 h
no reaction
Eosin Y (1 mol %)
ball milling (30 Hz)
in air, 1 h
久保田 浩司
特任助教
 ホウ素化反応剤とBaTiO3を混合
し、薬包紙・プラスチックの袋
に入れて金づちで叩いてみた。
+
N2BF4
BaTiO3
(5 equiv)
MeCN (0.12 µL/mg)
B B
O
O O
O
B(pin)
43% (NMR)
金づちで
200回叩く, air
 世界初の 「金づちでたたく」
が駆動力となる
ホウ素化に成功
Kubota, K.; Pang, Y.; Miura, A.; Ito, H. Science 2019, 366, 1500.
思考メモ
 研究を始める際 (2018 春)の目標として...
• 実用的な反応・よく知られた反応をターゲットにしながら
ボールミル反応の特徴を明らかにする。
• 単にコスト・環境調和を目指すのではなく、
「ボールミルでしかできない」反応性・選択性を探す。
• 1-2年の「試験航海」の後、明確な研究の方向性を確立する。
 わかってきた固体反応系(ボールミル)の特徴
• 高濃度による反応加速
:固体(neat)反応系(5 M)> 溶液反応系(0.1 M ― 1 M)
• オープンで仕込める。固体の中へは気体(酸素)が入りにくい。
• 固体内では分子間相互作用が強く働く。結晶化による反応制御。
• ボールミルの役割:効率の良い混合ができる+圧電材料でレドックス
37
久保田 浩司
特任助教
from MIT
2018から参加
謝辞
3
8
北海道大学 化学反応創成研究拠点(WPI-ICReD)
JST CREST「革新的反応」
科研費 新学術領域「ソフトクリスタル」、基盤研究 A
科研費 新学術領域「ハイブリッド触媒」(久保田)
久保田 浩司
特任助教
Pang Yadong
博士
瀬尾 珠恵さん
(D1)
高橋 里奈さん
(D2)
上杉 実那美さん
(M2)
高橋 陸朗君
(M1)
謝辞
前田 理 教授(北海道大学 WPI-ICReDD)
長谷川靖哉 教授(北海道大学 WPI-ICReDD)
三浦 章 准教授(北海道大学工学研究院)
田村 健 博士 (日本化学工業)
伊藤 英人 准教授
(名古屋大学・CREST)
八木 亜樹子 助教
(名古屋大学・CREST)

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メカノケミカル合成の夜明け The rise of mechanochemical synthesis

  • 1. 北海道大学 化学反応創成研究拠点 (WPI-ICReDD) 北海道大学 大学院工学研究院 伊藤 肇 メカノケミカル合成の夜明け The rise of mechanochemical synthesis 2020年5月1日 ケムステバーチャルシンポジウム 【最先端有機化学】 ↑本講演の情報サイト
  • 3. 有機合成に溶媒は本当に必要か?  2つの固体反応剤 の反応を考える。 +  分子が自由に拡散 ・衝突できる環境  よく混ざれば無溶媒 でも反応は進む?  固体のままでは うまく反応しない ”だろう” 3
  • 4. メカノケミストリー: 新しい有機合成手法  ボールミル内で強力に撹拌 • 有機溶媒不要 • 反応操作がシンプル • 溶液中とは異なる反応環境 • 有機合成への応用は以前より細々と 報告されている  ごく最近になって、 発表数が増えてきている。 ボールミル装置 (MM400) 左右の振動で ミキシング ステンレス製 反応容器とボール 0 20 40 60 80 100 120 20182013200820031998 論文数の推移 4
  • 5. Wang, G.-W.; Komatsu, K.; Murata, Y.; Shiro, M., Nature 1997, 387, 583. Tan, D.; Garcia, F., Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2274-2292; Robertson, J. C.; Coote, M. L.; Bissember, A. C., Nature Reviews Chem. 2019, 3, 290-304; Bolm, C.; Hernandez, J. G., Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3285-3299.; Tan, D.; Friščić, T., Eur. J. of Org. Chem. 2018, 2018, 18-33; Howard, J. L.; Cao, Q.; Browne, D. L., Chem. Sci. 2018, 9, 3080-3094.; Andersen, J.; Mack, J., Green Chem. 2018, 20, 1435-1443.; Hernandez, J. G.; Bolm, C., J. Org. Chem. 2017, 82, 4007-4019.; Zhu, S. E.; Li, F.; Wang, G. W., Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 7535-70.; Wang, G. W., Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 7668-700.; James, S. L.; Adams, C. J.; Bolm, C.; Braga, D.; Collier, P.; Friscic, T.; Grepioni, F.; Harris, K. D.; Hyett, G.; Jones, W.; Krebs, A.; Mack, J.; Maini, L.; Orpen, A. G.; Parkin, I. P.; Shearouse, W. C.; Steed, J. W.; Waddell, D. C., Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 413-47.;.Friščić, T., J. Mat. Chem. 2010, 20.;.Kaupp, G., CrystEngComm 2009, 11, 388-403. Reviews ボールミルを用いた反応  C60の二量化(小松・Wang)  SUS304 による還元(左治木) 5 Sawama, Y.; Sajiki, H. et al, ChemSusChem 2015, 8, 3773. Sawama, Y.; Yasukawa, N.; Ban, K.; Goto, R.; Niikawa, M.; Monguchi, Y.; Itoh, M.; Sajiki, H., Org Lett 2018, 20, 2892. KCN (20 equiv) ball-milling, 30 min under N2 C60 18 % ▶ 有機合成への本格的な応用は未知数 PhPh Ph Ph O Ph Ph HH H H Ph Ph OHHplanetary ball mill SUS 304 ball, H2O
  • 6. ボールミルのセットアップ 6. Grinding started. 5. The jar was placed in Retch MM 400. 4. The jar was closed. 3. Olefin was added via syringe. 2. Chemicals were added. 1. Ball was added in the milling jar. 6
  • 7. 思考メモ  研究を始める際 (2018 春)の目標として... • 実用的な反応・よく知られた反応をターゲットにしながら ボールミル反応の特徴を明らかにする。 • 単にコスト・環境調和を目指すのではなく、 「ボールミルでしかできない」反応性・選択性を探す。 • 1-2年の「試験航海」の後、明確な研究の方向性を確立する。 7 久保田 浩司 特任助教 from MIT 2018から参加
  • 8. Cl + H2N Na(O-t-Bu) (2.0 equiv) milling (30 Hz), Na2SO4 in air, 3 hLiquid (1.2 equiv) NH 54% Pd(OAc)2 (2 mol%) XPhos (4 mol%) Me Me iPr iPrCy2P iPr XPhos Liquid C–N クロスカップリング反応  ボールミルを用いたクロスカップリング反応は報告があった。 8 Shao, Q.-L.; Jiang, Z.-J.; Su, W.-K. Tetrahedron Lett. 2018, 59, 2277. Br + OHN N N R R R R Pd N Cl Cl K(O-t-Bu) (2.0 equiv) milling (30 Hz), sand in air, 3 h Liquid (1.2 equiv) 91% (1 mol%)Cl Liquid R = i-pent ON Cao, Q.; Nicholson, W. I.; Jones, A. C.; Browne, D. Org. Biomol. Chem. 2019, 17, 1722. O2N Br + (HO)2B 10%, Pd/C (1.5 mol%) Cs2CO3 (1.5 equiv) neat, 100 °C, 24 h 92 % O2N solid solid Y.Monguchi, Y. Fujita, S. Hashimoto, M. Ina, T. Takahashi, R. Ito, K. Nozaki, T. Maegawa, H. Sajiki Tetrahedron, 2011, 67, 8628. ▶ 加熱が必要
  • 9. ボールミル・固体と液体の反応性の違い  液体と固体の基質の反応 9 H N+ 5 mol % Pd(OAc)2 5 mol % t-Bu3P Na(O-t-Bu) (1.5 equiv) 1.5 mL jar, 3 mm ball milling (30 Hz) 99 min Br 1.0 equiv N Liquid 95% + 5 mol % Pd(OAc)2 5 mol % t-Bu3P Na(O-t-Bu) (1.5 equiv) 1.5 mL jar, 3 mm ball milling (30 Hz) 99 min Br Solid H N 1.0 equiv N 28% Pd(OAc)2/t-Bu3P catalytic system for the C-N cross-coupling reaction in solution: Hartwig, J. F.; Kawatsura, M.; Hauck, S. I.; Shaughnessy, K. H.; Alcazar-Roman, L. M. J. Org. Chem. 1999, 64, 5575. ▶ 固体同士ではうまく反応しない  固体と固体の基質同士の反応 瀬尾 珠恵さん (D1)
  • 10. ボールミルにおける条件検討とは? 10  ジャーの大きさと仕込み量 • 1.5 mL, 5 mL, 10 mL ... • ジャーに対する仕込み量  ボールの大きさ・数 • 1 mm, 2.5 mm, 5 mm...  振動の回転数 • 10 Hz ― 30 Hz  ジャーやボールの材質 • ステンレス (SUS 304) • メノウ • タングステンカーバイド (WC) • ジルコン(ZrO2) • テフロン  反応基質の性質 • 固体/液体、融点・レオロジー  添加剤 • 少量の溶媒(重量比10-20%)を加え ると反応性が改善する (LAG) (Liquid Assisted Grinding)  触媒
  • 11. 固体同士のC–N クロスカップリングに成功 + 5 mol % Pd(OAc)2 5 mol % t-Bu3P Na(O-t-Bu) (1.5 equiv) 1.5 mL jar, 3 mm ball additive (0.20 µL/mg) milling (30 Hz) 99 min Br H N 1.0 equiv N NMR yield (%) 11 46% 96% 99% 54% 16% Me Me ▶ オレフィンの添加により収率が劇的に向上した! 89% Me Me 98% Me 92%no additive 28% *Liquid-assisted-grinding (LAG) additive 62 μL = 0.20 μL/mg x 308.4 mg (weight of solid reactants) Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111. 瀬尾 珠恵さん (D1)
  • 12. 固体同士のC–N クロスカップリングの一般性 12 + 5 mol% Pd(OAc)2 5 mol% t-Bu3P Na(O-t-Bu) (1.5 equiv) 1,5-cod (0.20 µL mg − 1 ) in air (closed) ball mill (30 Hz), 99 min Ar2 Ar3 Ar1 Br N H Ar1 Ar2 Ar3 N 71% 80% N N 99% N 55% 96% 90% N N N Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111. N OMe OMe 75% 瀬尾 珠恵さん (D1)
  • 13. 固体同士のC–N クロスカップリング:一般性 13 Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111. N NH N HN N N Me Me Me Me 55% OMe MeO OMe MeO B 62% N N 82% N S 55% N O O 57% N 瀬尾 珠恵さん (D1)
  • 14. スケールアップも容易 14 Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111. + 2 mol % Pd(OAc)2 2 mol % t-Bu3P Na(O-t-Bu) (1.5 equiv) 25 mL jar, 10 mm ball x 2 1.5-cod (0.20 µL/mg) milling (30 Hz) 99 min Br H N 1.0 equiv N Me Me 92% 2.567 g 7 mmol 1.970 g Me Me 瀬尾 珠恵さん (D1)
  • 15. 溶けにくい基質で反応速度が下がらない 15 Kubota, K.; Seo, T.; Koide, K.; Hasegawa, Y.; Ito, H. Nature Commun. 2019, 10, 111. N N N N OMe OMe OMe OMeMeO MeO MeO MeO Br Br Br Br + N MeO OMeH 5.0 equiv 15 mol % Pd(OAc)2 15 mol % t-Bu3P Na(O-t-Bu) (5.0 equiv) 1,5-cod (0.2 mL/mg) under air (closed) ball mill (30 Hz), 99 min 89% 15 mol % Pd(OAc)2 45 mol % t-Bu3P Na(O-t-Bu) (5.2 equiv) toluene, under N2 110 °C, 2 days 60% Hole-transporting material for perovskite solar cells  ボールミル:短時間・室温  旧来の溶液系:長時間・高温 瀬尾 珠恵さん (D1)
  • 16. 鈴木カップリングでもオレフィンの添加が有効 16 + 3 mol % Pd(OAc)2 4.5 mol % DavePhos CsF (3.0 equiv) additive (0.12 µL/mg) H2O (3.7 equiv) milling (25 Hz), 99 min Br (HO)2B NMe2 NMe2 NMR yield (%)0.3 mmol 1.2 equiv no additive 26% 22% 88% 97% 33% 76% Me Me 20% Me 87% 87% 90% 90% *Liquid-assisted-grinding (LAG) additive 33 μL = 0.12 μL/mg x 273.4 mg (weight of solid reactants) Seo, T.; Ishiyama, T.; Kubota, K.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 8202. ▶ オレフィンの添加により収率が劇的に向上した 瀬尾 珠恵さん (D1) P Me2N Cy Cy DavePhos
  • 17. 鈴木カップリングでもオレフィンの添加が有効 17 Seo, T.; Ishiyama, T.; Kubota, K.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 8202. 59% 81% 84% N N NS N 60% 67% 92% ▶ 完全にオープンの条件で仕込むことができる ▶ 現在 100グラムスケール・<1 mol% 触媒でも反応がうまくいくことを確認
  • 18. 1,5-cod の効果:パラジウム錯体の安定化 18 Seo, T.; Ishiyama, T.; Kubota, K.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 8202. without 1,5-cod TEM image SS 31PNMR with 1,5-cod TEM image SS 31PNMR Monomeric intermediate Pd NP 生成抑制 Free DavePhos Pd NP の形成 ▶ 「高濃度」条件下で起こりやすいPd(0)の凝集による不活性化を防いでいる。
  • 19. 思考メモ  研究を始める際 (2018 春)の目標として... • 実用的な反応・よく知られた反応をターゲットにしながら ボールミル反応の特徴を明らかにする。 • 単にコスト・環境調和を目指すのではなく、 「ボールミルでしかできない」反応性・選択性を探す。 • 1-2年の「試験航海」の後、明確な研究の方向性を確立する。  わかってきた固体反応系(ボールミル)の特徴 • 高濃度による反応加速 :固体(neat)反応系(5 M)> 溶液反応系(0.1 M ― 1 M) • オープンで仕込める。固体の中へは気体(酸素)が入りにくい。 • ボールミルの役割:効率の良い混合ができる。分子に力を与えている? 19 久保田 浩司 特任助教 from MIT 2018から参加
  • 22. 発想の転換:固体での反応性の違いを活用  ボールミルでの反応性「液体基質>固体基質」を活用する • ビスハロゲン型基質へのクロスカップリング反応  溶液系条件 22 M X X + cross-coupling in solution X X X M X X X + + ▶ モノ選択的に反応させるのは難しい ✕M X X + cross-coupling in solid X in situ での結晶化 二段目の 反応を抑制?▶ 一つ反応したモノ体は原料よりの結晶性が高いはず  ボールミル・溶媒のほとんどない条件 M X X X 瀬尾 珠恵さん (D1)
  • 23. モノ選択的クロスカップリング 23 Seo, T.; Kubota, K.; Ito, H. J. Am. Chem. Soc. 2020, Just Accepted. ▶ 溶液系では7割程度、不必要なジカップリング体が生成する ▶ ボールミル反応では、90:10 の選択性、収率も高い Br Br (HO)2B NMe2 2b 1.2 equiv 1d liquid Pd(OAc)2 (3 mol %) tBuXPhos (4.5 mol %) CsF (3.0 equiv) H2O (3.7 equiv) Br 3d 4d + NMe2 NMe2 NMe2 in ball mill: 78%, 3d/4d = 90:10 in toluene: 43%, 3d/4d = 30:70 Br 3d 4d + NMe2 NMe2 NMe2
  • 24. 適用範囲の確認:o-, m-, p-, hetero 24 Seo, T.; Kubota, K.; Ito, H. J. Am. Chem. Soc. 2020, Just Accepted.
  • 25. モノ選択的クロスカップリング 25 Seo, T.; Kubota, K.; Ito, H. J. Am. Chem. Soc. 2020, Just Accepted. Ar2 -B(OH)2 1,5-cod ball milling 99 min cat. Pd(OAc)2 cat. ligand CsF, H2O one-pot procedure w/o work up Ar3 -B(OH)2 ball milling 99 min cat. Pd(OAc)2 cat. DavePhos CsF, H2O S Me O F F OMe S Br Ar1 Br Ar2 Ar1 Ar3 91 first arylation with tBuXPhos second arylation with DavePhos first arylation with tBuBrettPhos second arylation with DavePhos 9a 67% yield (2 steps) 9b 61% yield (2 steps) PCy2 Me2N DavePhos S OMe OMe OMe OMe 10 54% yield (2 steps) anti-tumor-active Combretastatin A-4 analogue second arylation with DavePhos first arylation with tBuBrettPhos 瀬尾 珠恵さん (D1)
  • 26. 発想の転換:酸素が固体に入りにくいことを利用 26 LnPd(0) Pd X Ln Ln N Pd N H BrProduct O2 H2O 溶液系の反応 固体系の反応 溶存酸素や水の影響が大きい O2 H2O 固体内へは酸素や水が混入しづらいので 反応への影響が少ないのではないか?  酸素に不安定な中間体 ・錯体をボールミルを 使って簡便に合成したい 高橋 里奈さん (D2)
  • 27. Pd(II)錯体をPd(0)を経由して空気中で作る 27 THF (0.20 µL/mg) milling (25 Hz) RuPhos (1.0 equiv) OiPr OiPrCy2P Pd TMS TMS + Pd RuPhos Br Br + 1.0 equiv in air, 30 min cyclohexane (0.05 M) 30 min under N2: 61% in air: 8% in air: 92% Kubota, K.; Takahashi, R.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 5837.  ボールミルは空気中で 仕込むことが出来る。 かつ溶液系より高収率  溶液系の反応 グローブボックス仕込み 高橋 里奈さん (D2)
  • 28. Pd(II)錯体の簡便合成 28 Pd + TMS TMS 1.0 equiv ball milling (25 Hz) in air, 30 min RuPhos (1.0 equiv) THF (0.20 µL/mg) X Ar Pd Br RuPhos Ar 60% 74% Pd RuPhos Br CF3 Pd RuPhos Br O OMe 78% 78% Pd RuPhos Br Pd RuPhos Br 61% PdRuPhos Br Pd Pd PdRuPhos Br Br RuPhos Br RuPhos Kubota, K.; Takahashi, R.; Ito, H. Chem. Sci. 2019, 10, 5837. 高橋 里奈さん (D2)
  • 30. 発想の転換:圧電材料を使ってみる 30  圧電材料とは • 機械的なひずみを与えたとき電圧を発生 する物質、あるいは、逆に電圧を加える と機械的ひずみを発生する性質を示す物 質のこと • 例:水晶,酸化亜鉛,窒化アルミニウム, ニオブ酸リチウム,ニオブ酸カリウム, チタン酸バリウム、PZT(ジルコン酸チタ ン酸鉛) セラミックス etc... 画像引用:岩谷産業・ONKTYO・SONY商品ページ 用語引用:https://kotobank.jp/word/%E5%9C%A7%E9%9B%BB%E6%9D%90%E6%96%99-26033 ▶ 安価(1g 20円~) 安定・多くは無毒
  • 31. メカノレドックス反応のアイデア 31 Ir[df(CF3)ppy]2(dtbpy)+ N Ir N N N CF3 tBu tBu CF3 F F F F * 光励起 緩和 励起 状態 基底 状態 一電子 還元 A A −・ DD +・ 一電子 酸化 +  可視光フォトレドックス反応 • 一電子移動型 有機合成反応 • 2010年以降急速に発展、 現在5600報超の論文が報告 • 光照射が非効率、大スケール化 困難、脱酸素条件、色素✕ BaTiO3 e− h+ 緩和機械的 インパクト 高分極 状態 一電子 還元 A A −・ DD +・ 一電子 酸化 低分極 状態 h+ • 光触媒の代わりに圧電材料を 活用するアイデア:ボールミルで ピエゾ電気を発生させる • セットアップが極めて簡便・ 触媒が安価・大スケール容易  メカノレドックス反応
  • 32. B O O BF3F + V BF4 B(pin) R 5 (pin)B B(pin) 4 BF3B F O O IV − N2 , − BF4 N2BF4 R I 1 R メカノレドックス反応のアイデア 32 圧電材料 (チタン酸バリウム粒子) 有機化合物 機械的な力 電子の やり取り 圧電材料が機械的な力によ り歪み、ピエゾ電気を発生 ピエゾ電気が有機化合物に 移動し、反応を促進する。 − N2 , − BF4 N2BF4 R I 1 X − HBF4 X BF4 2 III II R R X R H 3 X R SET from BaTiO3 SET to BaTiO3 SET from BaTiO3 SET to BaTiO3
  • 33. モノ選択的クロスカップリング 33 O N2BF4 ball milling 1a, diazonium salt Cl O 2a, 15 equiv BaTiO3 (5 equiv), 1 h Cl 3a, NMR yield 1.5 mL jar, 5 mm ball ball milling (20 Hz) in air, 1 h 40% 反応後の様子 Pang Yadong 博士 BaTiO3無しでボールミル ▶ 反応しない 圧電性の無いセラミック(Al2O3, TiO2) とボールミル ▶ 反応しない BaTiO3と溶媒中で撹拌 ▶ 反応しない 振動数を上げる(30Hz) ▶ 収率があがる(73%)
  • 34. アリール化とボリル化、様々な基質に適用 34 3j 53% yield 3f 62% yield 3a 73% yield 3b 61% yield 3e 50% yield 3k 62% yield 3c 74% yield 3d 72% yield 3l 35% yield 3i 61% yield 3g 41% yield 3h 64% yield 47% yield 3ma/3mb = 90:10 3n 27% yield 3o 66% yield + 3ma 3mb 1 50% yield 3pa/3pb = 86:14 + 3pa 3pb O Cl O Br O F O F3C O NC O O2N O O2N O NO2 O O Me O O MeO S O2N S O2N 2 N O2N Boc O S MeO O S S MeO O S S MeO O 1 2 5h 70% yield (77% NMR) 5a 61% yield (86% NMR) 5g 36% yield (52% NMR) 5f 45% yield (58% NMR) 5d 45% yield (73% NMR) 5i 61% yield (70% NMR) 5j 80% yield (84% NMR) Cl B(pin) Br B(pin) NC B(pin) F3C B(pin) B(pin)O2N B(pin) B(pin) MeO B(pin) 5e 52% yield (69% NMR) O2N B(pin) Me 5c 70% yield (85% NMR) F B(pin) 5b 59% yield (75% NMR) Pang Yadong 博士
  • 35. 適用範囲の拡張 35 + BaTiO3 (5 equiv) O 8.0 mmol 71% yield 1.1 g O S MeO O S MeO O N2BF4 ball milling (30 Hz) in air, 1 h ▶ フォトレドックス条件:反応しない ▶ メカノレドックス条件:反応する  溶けにくい・光を吸収する基質  スケールアップ・グラムスケール合成 反応後の様子 + O2N N2BF4 O2N BaTiO3 (5 equiv) MeCN (0.12 µL/mg) 43% yield visible light DMSO, rt, 2 h no reaction Eosin Y (1 mol %) ball milling (30 Hz) in air, 1 h
  • 36. 久保田 浩司 特任助教  ホウ素化反応剤とBaTiO3を混合 し、薬包紙・プラスチックの袋 に入れて金づちで叩いてみた。 + N2BF4 BaTiO3 (5 equiv) MeCN (0.12 µL/mg) B B O O O O B(pin) 43% (NMR) 金づちで 200回叩く, air  世界初の 「金づちでたたく」 が駆動力となる ホウ素化に成功 Kubota, K.; Pang, Y.; Miura, A.; Ito, H. Science 2019, 366, 1500.
  • 37. 思考メモ  研究を始める際 (2018 春)の目標として... • 実用的な反応・よく知られた反応をターゲットにしながら ボールミル反応の特徴を明らかにする。 • 単にコスト・環境調和を目指すのではなく、 「ボールミルでしかできない」反応性・選択性を探す。 • 1-2年の「試験航海」の後、明確な研究の方向性を確立する。  わかってきた固体反応系(ボールミル)の特徴 • 高濃度による反応加速 :固体(neat)反応系(5 M)> 溶液反応系(0.1 M ― 1 M) • オープンで仕込める。固体の中へは気体(酸素)が入りにくい。 • 固体内では分子間相互作用が強く働く。結晶化による反応制御。 • ボールミルの役割:効率の良い混合ができる+圧電材料でレドックス 37 久保田 浩司 特任助教 from MIT 2018から参加
  • 38. 謝辞 3 8 北海道大学 化学反応創成研究拠点(WPI-ICReD) JST CREST「革新的反応」 科研費 新学術領域「ソフトクリスタル」、基盤研究 A 科研費 新学術領域「ハイブリッド触媒」(久保田) 久保田 浩司 特任助教 Pang Yadong 博士 瀬尾 珠恵さん (D1) 高橋 里奈さん (D2) 上杉 実那美さん (M2) 高橋 陸朗君 (M1) 謝辞 前田 理 教授(北海道大学 WPI-ICReDD) 長谷川靖哉 教授(北海道大学 WPI-ICReDD) 三浦 章 准教授(北海道大学工学研究院) 田村 健 博士 (日本化学工業) 伊藤 英人 准教授 (名古屋大学・CREST) 八木 亜樹子 助教 (名古屋大学・CREST)