伝統を突破せよ！連続流＋アントラセン−セリウム協同触媒、ベンジル酸化反応はグリーン高効率の新方案を迎える

四川軽化学工業大学と中国科学院上海有機化学研究所の科学研究チームは、「化学学報」2023年第1期で重ポンド研究成果を発表した。彼らは連続流マイクロ反応器に基づくアントラセン−セリウム協同触媒システムを開発し、伝統的なベンジル酸化反応の多くの難題を克服することに成功し、緑色有機合成に新しい構想を提供した。

核心突破：温和な条件下で効率的な転化を実現する

従来のベンジル酸化反応は高価で複雑な金属触媒に依存しており、高温、強酸化剤の加持が必要であり、反応効率が低く、安全性が悪い。この研究チームが提案した新しい提案は、3つの重要な突破を実現した：

1.協同触媒システムにより、効率が大幅に向上

有機光触媒として9,10−ジブロモアントラセン（DBA）を選択し、セリウム−アルコール錯体（Ce（NO 8323）832・6 H 832 Oをセリウム源とし、トリクロロエタノールを水素原子移動触媒とする）を組み合わせ、起アントラセン−セリウム協同触媒システムを構築する。配位子から金属電荷移動（LMCT）と水素原子移動（HAT）機構を通じて、可視光（400 nm LED）照射下で、励起状態DBAはCe（III）のCe（IV）への再生を急速に促進し、触媒サイクルを著しく加速させる。

実験データによると、2 mol%DBAを共触媒とするだけで、エチルベンジル酸化反応の収率は単独セリウム触媒の14%から92%に上昇し、収量はさらに8.4 mmol/hに達し、はるかに伝統的な触媒系（例えばTBADT触媒は0.3 mmol/h、鉄触媒は1.1 mmol/h）を超えた。

2.連続流技術、安全と規模を両立

チームは革新的に協同触媒システムと連続流マイクロ反応器を結合し、輸送、反応、背圧、産物収集の4大ユニットを含む反応システムを構築した。マイクロ反応器内の気液二相混合は効率的で、光照射効率が向上し、かつ反応器の体積が小さく（総容積が5.4 mL）、危険反応物の単位担持量を低下させ、有酸素酸化反応の安全性を大幅に向上させることができる。

さらに重要なのは、このシステムは流速を調節することによって反応を柔軟に制御することができる：液体流速2 mL/min、酸素流速8 mL/minの条件下で、反応保留時間はわずか1.8 minで転化を完成し、最高収量は8.7 mmol/hに達し、しかも体系は拡大しやすく、工業化の連続生産のために基礎を築いた。
3.条件が温和で普遍性が強い

反応の全行程は室温、0.8 MPa酸素圧力の下で行い、高温高圧を必要とせず、酸化剤は環境に優しい酸素のみを使用し、原子経済性が高く、廃棄物の排出が少ない。同時に、この系は多種のアルキル芳香族炭化水素基質に対して優れた互換性を示した：

−メトキシ基などの電子供与基を有するエチルベンゼンであれ、ホウ酸エステル、アセチル基などの電子供与基を含む基質であれ、90%程度の収率で目的の芳香族ケトンを得ることができる、

−p−ベンジル−フェニル置換キシレン、環状フルオレン、ベンゼンフタレインなどの特殊構造基質も、高効率酸化を実現でき、収率58%−86%、

−反応化学的選択性が高く、ベンジル位C−C結合断裂による安息香酸副生成物は検出されなかった。

図1連続流光化学反応器装置図

メカニズムの解明：2サイクル駆動反応を効率的に行う

協同触媒の核心メカニズムを解明するため、チームはUV-Vis吸収スペクトル、蛍光発光スペクトル及び循環ボルタンメトリー法などの実験を通じて、「有機光触媒循環+セリウム触媒循環」二重循環モデルを提案した：

1.セリウム触媒サイクル：Ce（IV）−アルコール錯体は可視光下でLMCTにより均裂してトリクロロエトキシラジカルを産生し、HAT活性化エチルベンジル位C−H結合によりベンジルラジカルを産生し、後者は酸素に捕捉された後還元されてアセトフェノンを形成し、同時にCe（IV）がCe（III）に転化する、

2.有機光触媒循環：基底状態DBAは光子を吸収して励起状態に遷移し、酸素または過酸素種によってDBAラジカル正イオンに酸化され、その後、単電子移動（SET）によってCe（III）をCe（IV）に酸化し、それ自体を基底状態に戻し、循環を完了する。

二重循環の相乗作用は、従来のセリウム触媒におけるCe（III）再生の遅いボトルネックを解決し、反応効率の質の飛躍を実現した。

応用の将来性：緑色合成のための新しい経路を開拓する

芳香族ケトンは薬物、生物活性分子中の重要な構造単位（例えば抗うつ薬、抗炎症薬中間体）であり、この研究開発の触媒系は安価、高効率、緑色、増幅しやすいなどの優位性があり、将来応用が期待される：

−医薬中間体の規模化グリーン合成、生産コストの低減及び汚染の低減、

−多機能化芳香族ケトンの配向製造を実現する微細化学工業分野、

-他のC（sp³）-H結合官能基化反応に展開し、光触媒合成技術の発展を推進する。

この研究はベンジル位酸化反応に新たな解決策を提供するだけでなく、連続流技術と協同触媒結合の巨大な潜在力を示し、有機合成の「よりグリーン、より効率的、より安全」な方向への発展に新たな原動力を注入した。技術のさらなる最適化に伴い、このシステムは医薬、化学工業などの分野で重要な役割を果たし、持続可能な化学産業のグレードアップを支援すると信じている。

（原文リンク：[化学学報]（http://sioc-journal.cn)，DOI: 10.6023/A23030099）
浙江省ブリリスは連続流光化学分野に造詣が深く、技術革新と工業化の着地能力を核心優位としている。その連続釜式光反応器は、連続流と釜式反応の優位性を融合し、固液系反応の難題を攻略し、光照射利用率は2倍以上上昇し、混合均一度は98%を超えた。