top of page
Research
概要 / Overview
20世紀から現在にかけて、化学は人類社会の発展に大きく貢献しました。その一方、今世紀に入ってからはエネルギー問題・気候変動・資源枯渇といった課題が顕在化してきています。サステイナブルな社会を実現するためには、物質生産プロセスのイノベーションが必要不可欠です。
跡部研究室では電気化学を基盤にした有機・高分子合成に関する研究を展開しています。電子を試薬とすることができる有機電解合成に立脚し、環境に調和した新しい物質合成、電気エネルギーと化学エネルギーの効率的相互変換、高度情報化社会を支える新材料の創製を目指しています。
From the 20th century to the present, chemistry has contributed greatly to the development of human society. On the other hand, since the beginning of this century, issues such as energy problems, climate change, and resource depletion have become more and more apparent. For the realization of a sustainable society, innovation in material production processes is indispensable.
Atobe laboratory is conducting research on organic and polymer synthesis based on electrochemistry. Based on organic electrolysis, in which electrons can be used as reagents, we aim to synthesize new materials in harmony with the environment, to convert electric and chemical energy into new materials, and to create new materials for an advanced information society.
有機電解合成 / Electrosynthesis
酸化還元反応は、広義には電子の授受がある化学反応であり、酸化剤・還元剤を用いることで誘起できます。しかしながら、一般に用いられる酸化剤・還元剤は、潜在的に爆発性があるものも多く、特に工業スケールでの利用には注意が必要となります。また反応基質に対して当量の試薬が必要となるため、廃棄物の発生や精製プロセスの増加と言った本質的な課題が残ります。
有機電解合成は、いわゆる電気分解のように酸化還元反応を電極での電子移動により進行させる合成プロセスです。有機電解合成においては、電気エネルギーを駆動力とし、電子を試薬として酸化還元反応を進行させることができるため環境負荷が小さく、サステイナブルな合成プロセスとして知られています。また、電極電子移動反応により発生する化学種はユニークで高い反応性を示すことが知られており、「有機活性種化学」としての一面も知られています。
環境に優しく科学的にも興味深い有機電解合成は特に近年大きく注目され、研究室レベルの利用から工業応用に渡って、熾烈な競争が繰り広げられています。
Redox reactions are chemical reactions with electron transfer in the broadest sense and can be induced by the use of oxidizing and reducing agents. However, many of the commonly used oxidants and reductants are potentially explosive and should be used with caution, especially when they are used on an industrial scale. In addition, since an equivalent amount of reagents is required for the reaction substrate, essential issues such as generation of waste and increase in the purification process remain.
Organic electrosynthesis is a synthetic methodology in which a redox reaction is carried out by electron transfer at the electrode. In organic electrolysis, the redox reaction is driven by electrical energy and uses electrons as a reagent, so it is recognized as a sustainable synthetic process with low environmental impact. In addition, the chemical species generated by electrode electron transfer reactions are known to be unique and highly reactive, and are also known as "organic active species chemistry".
Organic electrolysis synthesis has attracted a great deal of attention in recent years, and there is fierce competition among researchers and industrial applications.
[参考/Reference]
・「有機電気化学 - 基礎から応用まで -」淵上 寿雄 編著、跡部 真人 著、稲木 信介 著、コロナ社
フロー電解合成 / Electrosynthesis in flow microreactor
フロー合成は反応溶液が流路を流通しながら行う有機合成プロセスであり、フラスコ内で行うようなバッチ合成に対比される概念です。流路幅がマイクロオーダーの場合は特異な物理的環境となるため特にマイクロフロー合成と呼ばれ、①比表面積（単位体積あたりの表面積）が非常に大きい、②分子の拡散距離が非常に短い、③リアクター内の滞在時間（反応時間）を精密に制御可能、④容易にスケールアップ可能、⑤高安全性、といった利点があります。跡部研究室では、マイクロリアクターを用いたフロー電解合成について先駆的な研究を行ってきました。
マイクロリアクターを用いたフロー電解合成により、支持電解質フリーな電解合成、流路設計によるChemoselectivityの発現、効率的両極反応、系中発生活性種と後続反応試薬の時空間分離といった新概念を報告している。
Flow synthesis is an organic synthesis process in which a reaction solution is passed through a flow channel, which can be contrasted with batch synthesis performed in a flask. The flow channel width of micro-order is especially called micro-flow synthesis because it provides a unique physical environment, and it provides advantages such as: (1) a very large specific surface area (surface area per unit volume), (2) very short diffusion distance of molecules, (3) precise control of the residence time (reaction time) in the reactor, (4) easy scale-up, and (5) a high degree of safety. Atobe laboratory has been conducting pioneering research on flow electrolysis using microreactor.
We have reported the new concept of flow electrolysis using microreactors, including supportive electrolyte-free electrolysis synthesis, flow channel design to produce chemoselectivity, efficient paired electrolysis, and spatio-temporal separation of the in-situ generated active species and reagents.
[参考/Reference]
Review: Chem. Rev. 2018, 118, 4541-4572, Curr. Opin. Electrochem. 2017, 2, 1-6
Research papers: Electrochemistry, 2020, 88, 336-339, Synlett, 2019, 30, 1194-1198, React. Chem. Eng. 2017, 2, 871-875, React. Chem. Eng. 2017, 2, 642-645, Chem. Lett. 2016, 45, 816-818, RSC Adv. 2015, 117, 96851-96854, RSC Adv. 2015, 119, 98721-98723, Chem. Commun. 2015, 51, 4891-4893, Chem. Lett. 2014, 43, 799-801, J. Flow Chem. 2013, 3, 17-22, J. Electrochem. Soc. 2013, 160, G3058-G3061, Chem. Commun. 2012, 48, 2806-2808, Chem. Lett. 2011, 40, 606-608, Org. Biomol. Chem. 2011, 51, 4256-4265Chem. Commun. 2010, 46, 2730-2732, Chem. Eur. J. 2008, 14, 10382-10387, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 11692-11693
固体高分子電解質(SPE)電解ユニットを用いた有機電解合成 / Electrosynthesis in SPE reactor
SPE型リアクターとは、既に商用化されている燃料電池セルを転用した固体高分子電解質(solid-polymer electrolyte, SPE)電解ユニットであり、隔膜にプロトン交換膜(Proton Exchange Membrane, PEM)やアニオン交換膜(Anion Exchange Membrane, AEM)を用いています。PEM/AEM型リアクターの使用により、以下の特長を有する革新的な電解合成プロセスが実現することができます。
①隔膜中のイオン移動を利用することで、支持電解質の添加が不要となる。
②触媒担持多孔質カーボンを陽陰極とすることで、反応場を三次元化する。
③溶液抵抗のないエネルギー効率に優れた電解合成が可能。
④規模による効率損失が少ない。
⑤風力や太陽光などの再生可能エネルギー導入を見越した起動停止の追従性に優れる
The SPE reactor is electrochemical setup with solid-polymer electrolyte, which is an innovative electrolysis unit based on the commercial fuel cell technology. The following can be realized.
(1) Use of proton transfer in the membrane eliminates the need for adding a support electrolyte.
(2) By using catalyst-supported porous carbon as the cathode, the reaction surface becomes three-dimensional.
(3) High energy-efficient electrolysis synthesis without solution resistance is possible.
(4) Little efficiency loss depending on the scale.
(5) Excellent start-up and shutdown performance in anticipation of the introduction of renewable energy sources such as wind and solar power.
[参考/Reference]
Research papers: J. Electrochem. Soc. 2020, 167, 155506, Electrochem. Commun. 2020, 115, 106734, ACS Sustain. Chem. Eng. 2019, 7, 11050-11055, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2018, 91, 897-899, Chem. Lett. 2016, 45, 1437-1439, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2016, 89, 1178-1183
タンデム超音波乳化法と高分子材料合成 / Tandem acoustic emulsification for polymeric materials
水と油は混じり合うことがないことからわかるように、多くの有機物は水に溶解しないことが多く、そのため有機合成反応は有機溶媒中で行う必要があります。しかしながら、多量の有機溶媒の利用はそのまま環境負荷に繋がるため、水を反応メディアうに用いることは極めて重要と言えます。従来、有機物を水に分散させるためには界面活性剤が用いられてきました。跡部研究室では逐次的な超音波照射により油滴がナノサイズ化することで、界面活性剤フリーで水中で安定に存在し、有機電解反応に応用可能であることを示してきました（タンデム超音波乳化法）。さらにこの手法を発展させることで、導電性高分子をはじめとする様々な高分子材料群の創出を報告しています。
As shown by the fact that water and oil do not mix, many organic compounds are often insoluble in water and therefore organic synthesis reactions must be carried out in organic solvents. However, it is very important to use water as a reaction medium because the use of large amounts of organic solvents leads to environmental impact. Traditionally, surfactants have been used to disperse organic materials in water. Atobe group has shown that oil droplets can be made into nanosized droplets by successive ultrasonic irradiation, which are surfactant-free and stable in water, and can be applied to organic electrolysis reactions (tandem ultrasonic emulsification). By further developing this technique, we have reported the creation of a variety of polymeric materials, including conductive polymers.
[参考/Reference]
Research papers: Ultrason. Sonochem. 2019, 54, 250-255, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 2503-2506, Chem. Lett. 2015, 44, 1584-1585, RSC Adv. 2014, 4, 57608-57610, RSC Adv. 2014, 4, 22938-22940, Chem. Commun. 2013, 110, 593-598, ACS Macro Lett. 2013, 2, 482-484, Electrochim. Acta, 2013, 110, 593-598, Chem. Commun. 2011, 47, 5765-5767, Langmuir 2006, 22, 10258-10263, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13160-13161. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6069-6072, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13160-13161
特殊反応場を利用した有機電解合成 / Unique reaction fields for electrosynthesis
効率的な反応や、これまでに見出されなかった特異な選択性・反応性を探求するために、特殊反応場を利用した有機電解合成の研究を行っています。超臨界流体、遠心反応場、超音波照射などの特殊反応場が、有機電解反応にどのような影響を与えるかを調査しています。
In order to explore efficient reactions and specific selectivity and reactivity that have not been found before, we are studying organic electrolysis synthesis using unique reaction fields. We are investigating the effects of special reaction fields such as supercritical fluids, centrifugal reaction fields, and ultrasonic irradiation on organic electrolysis reactions.
bottom of page