鈴木のクロスカップリング反応機構

FTIR分光法は定量的な解釈を提供できますが、スペクトルに明確または診断的な特徴が欠けている場合はより困難です。それでも基礎となるスペクトルデータには反応進行と相関する微妙な変化が含まれています。機械学習はこれらのパターンを抽出できますが、典型的なワークフローでは大規模な実験的に生成されたデータセットが必要であり、各データセットを繰り返しの反応試行で収集しなければならないため大きな障壁となります。

この実験的負担を軽減するために、著者らは各種が総吸光度に比例して寄与する線形混合近似を採用しました。ピーク強度は分子の存在量に比例するため、反応混合物のスペクトルはその個々の成分のスペクトルの重み付き和として近似できます。純粋な反応物と生成物のReactIRスペクトルを組み合わせることで、実際の混合物の主要な特徴を再現する合成「模倣スペクトル」が生成されました。これにより、限られた数の測定スペクトルのみを用いて大規模なトレーニングデータセットの構築が可能になります。

鈴木-宮浦クロスカップリング反応は、構造変化が最小で対応するFTIRの特徴が微妙であるため、モデルシステムとして選ばれました。前処理後、模倣スペクトルで訓練されたニューラルネットワークは、インラインReactIR測定から反応収率を正確に予測しました。この予測モデルは、物理パラメータだけでは明らかでない反応条件の微妙な違いを検出できました。自動化されたフロープラットフォームに統合され、モデルはリアルタイムの収率推定と効率的なクローズドループ最適化を可能にしました。このアプローチは、ReactIRが合成スペクトル生成と機械学習と組み合わせることで、データ効率の良い反応開発と自律的最適化のための定量的なプロセス分析技術として機能し得ることを示しています。

Ashikari, Y., Tamaki, T., Tomite, K., Yonekura, Y., & Nagaki, A. (2025). Real-time inline-IR-analysis via linear-combination strategy and machine learning for automated reaction optimization. Communications Chemistry, 8(1), 287. https://doi.org/10.1038/s42004-025-01676-y

著者らは、触媒効率を最適化し触媒機構を理解するためには、秩序化された有機金属触媒ナノ膜における触媒活性中心の構造と組成を明らかにすることの重要性を指摘した。本研究では、シリコンウエハー上に新規のフェロセンベース自己組織化ヘテロ二金属Pd/Co膜（Si@FMP-Pd_xCo_1-x）を合成し、Suzukiクロスカップリング反応に対して評価した。具体的には、Si@FMP-Pd_0.2/Co_0.8.の活性は、Si@FMP-Pd、あるいは均一系触媒Li₂PdCl₄/CoCl₂のいずれよりも著しく高いことが分かった。研究者らは、触媒の表面における配向と配列、およびPdとCoの相乗作用が、触媒活性向上の要因であると示唆した。 

反応機構の検討においては、ReactIR測定により触媒過程をリアルタイムで追跡し、Suzuki反応における酸化的付加およびトランスメタル化段階に関連する中間体の生成をモニターした。752 cm⁻¹のバンドは、触媒サイクル中のこれらの表面固定種のマーカーとして機能した。これらの測定により、Si@FMP-Pd0.2Co0.8には誘導期があることが明らかになり、これは不均一触媒過程を示すものであり、誘導期を示さなかった均一系（Li₂PdCl₄/CoCl₂）とは対照的であった。ReactIRデータは、ホットフィルトレーション試験および毒化試験と組み合わせることで、触媒作用が溶液中へ溶出した金属種ではなく膜表面で起こっていることを確認した。本研究では、活性 中心が、有機金属表面上でin situ形成されたPd、Pd/PdO、Pd/CoO/Co₂O₃ クラスターを含むことが示された。したがって、ReactIRは、この新規二金属触媒によるSuzuki反応の触媒機構を解明する上で重要な役割を果たし、不均一性を検証するとともに、反応過程に関する速度論的知見を提供した。

Li, T., Chen, P., Wang, M., & Wu, Y. (2024). Ferrocene assisted PD/PDO/COO Active Center in suit formed on the surface of Self-Assembly Organometallic PD/CO Film: Investigation on the formation, synergistic, and catalytic mechanism in Suzuki Cross Coupling Reaction. SSRN Electronic Journal. https://doi.org/10.2139/ssrn.4735448

本研究は、二相系条件下における鈴木・宮浦クロスカップリングの極めて詳細なメカニズム調査を提示しており、相間移動触媒（PTC）が主要なトランスメタル化経路をシフトさせることによって、いかに反応を劇的に加速させるかを明らかにしています。著者らは、難易度の高いモデルシステムとしてベンジル位置換親電子剤を使用し、PTCがそのメカニズムを従来のオキソ-パラジウム経路からボロネート駆動型経路へと転換させることを示しており、これにより最大12倍の反応速度向上を実現し、0.001 mol%という極めて低い触媒仕込み量を可能にしています。このメカニズムに関する理解は、オンラインHPLC測定によるDirectInject-LC技術の使用から得られたものであり、この技術は、NMRやIR測定には適さない不均一な混合物においてさえも、再現性のあるリアルタイムの速度論プロファイルを提供します。この自動LCプラットフォームは、相分離によるアーティファクト（偽像）や試料の経時変化のために手動サンプリングではアクセス不可能または不信頼となるデータである、親電子剤の消費、ボロネートの形成、ハロゲン化物による阻害、およびパラジウム触媒の化学種の形態（スペシエーション）の精密な追跡を可能にします。これらの高密度な速度論データセットは、水相と有機相の比率による強い影響、水酸化物とハロゲン化物の相反する役割、そしてPTCがパラジウムの化学種分布とアリールホウ素の平衡の両方を調節していることを明らかにし、ターンオーバー律速段階であるトランスメタル化の領域を明確にするとともに、広範な基質適用範囲を伴う極めて低い触媒仕込み量を実現しています。

Shi, Y., Derasp, J. S., Maschmeyer, T., & Hein, J. E. (2024). Phase transfer catalysts shift the pathway to transmetalation in biphasic Suzuki-Miyaura cross-couplings. Nature Communications, 15(1), 5436. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49681-4