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Development of methodology for data-driven design of organic photosensitizers

Publicly Offered Research

Project AreaDigitalization-driven Transformative Organic Synthesis (Digi-TOS)
Project/Area Number 22H05356
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

納戸 直木  名古屋大学, 学際統合物質科学研究機構, 助教 (20909949)

Project Period (FY) 2022-06-16 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Keywords機械学習 / 光反応 / 有機光増感剤 / 光増感剤 / ニッケル触媒 / 分類 / 有機化学 / 有機触媒
Outline of Research at the Start

本申請課題では、有機光触媒の物性と反応性を紐づける機械学習法の開発を目指して研究に取り組む。有機光触媒の活用は、貴金属に依存しない物質生産を実現する鍵となり得る一方で、その潜在的なバリエーションの多さから、真に有効な触媒は現状見逃されている可能性が高い。そこで我々は、触媒機能のさらなる理解と反応性予測を可能にする機械学習法を確立し、より実用性の高い有機光触媒の開発を行う。また、開発した有機光触媒による反応開発や、データサイエンスを活用した反応機構の解明、さらに収集した光反応のデータベースを利用したベイズ最適化による高活性有機光触媒の自動探索プログラムの開発など、幅広い応用を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

初年度は、光増感剤を用いたフェノール合成反応において、基礎となるデータベース構築と機械学習モデルの開発を行った。この研究に関しては、昨年に論文投稿を完了した(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202219107.)。そこで2年目となる昨年度は、データベースのさらなる拡張及び転移学習等を含むより発展的な機械学習法の適用に取り組んだ。結果として、異なる分子変換を引き起こす光反応間で知識を共有する転移学習法の開発を達成した。また、より高度な量子化学計算を活用して設計した記述子と可視化手法を組み合わせることで、説明可能性及び予測精度を両立した機械学習モデルの開発にも取り組んだ。これらに関する論文は現在執筆中であるため、なるべく早く投稿及び出版までこぎつけたいと考えている。さらに、領域内外の複数の研究グループと共同して、実験を主体とした光反応(さまざまなエネルギー移動、電子移動系を含む)データベースのさらなる拡張や、量子化学計算や分子生成技術を活用した計算値主体のデータベース開発も進めている。領域での後期の活動を通して、より大規模なこれらのデータベースを活用した触媒設計法の確立などに挑戦する予定している。
光反応以外にも、新たに開発した脱水触媒システム及び、金属触媒を用いた水素化反応におけるデータベース構築、機械学習モデルの開発、及び仮想スクリーニングによるより有効な触媒の発見等についてもまとまった結果が得られたため、これらも論文作成に取り掛かっている。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Machine‐Learning Classification for the Prediction of Catalytic Activity of Organic Photosensitizers in the Nickel(II)‐Salt‐Induced Synthesis of Phenols2023

    • Author(s)
      Noto Naoki、Yada Akira、Yanai Takeshi、Saito Susumu
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 62 Issue: 11

    • DOI

      10.1002/anie.202219107

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Arylamines as More Strongly Reducing Organic Photoredox Catalysts than fac-[Ir(ppy)3]2022

    • Author(s)
      Noto Naoki、Saito Susumu
    • Journal Title

      ACS Catalysis

      Volume: 12 Issue: 24 Pages: 15400-15415

    • DOI

      10.1021/acscatal.2c05034

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 異種反応間で有機光増感剤の触媒活性を予測する転移学習法の開発2024

    • Author(s)
      國定龍雅、納戸直木、Tabea Rohlfs、小島諒介、Olga Garcia Mancheno、柳井毅、斎藤進
    • Organizer
      第104回日本化学会春季年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ルテニウム錯体触媒を用いるケトンの水素化反応のデータベース構築と機械学習法の開発2024

    • Author(s)
      中島春野、村田知隼、納戸直木、斎藤進
    • Organizer
      第104回日本化学会春季年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] リン化合物とカテコール誘導体を用いた触媒的脱水アミド化反応における反応性予測モデルの開発2023

    • Author(s)
      永野泰規、納戸直木、斎藤進
    • Organizer
      第12回JACI/GSC シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 有機光反応における光増感剤の反応性を予測する機械学習モデルの開発2023

    • Author(s)
      納戸直木
    • Organizer
      2023年光化学討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] リン化合物/カテコール触媒システムによる脱水アミド化反応と機械学習法の開発2023

    • Author(s)
      永野泰規、Dattatraya B. Bagal、納戸直木、斎藤進
    • Organizer
      2023年第123回有機合成シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Machine-Learning Prediction of the Catalytic Activity of Organic Photosensitizers2023

    • Author(s)
      Naoki Noto、Susumu Saito
    • Organizer
      International Joint Symposium 2023 on Synthetic Organic Chemistry -ISDigiTOS-2, ICAMS-3, & CREST-OS-FRIR-
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 有機触媒の活性予測を行う機械学習モデルの開発2023

    • Author(s)
      納戸直木
    • Organizer
      「学術変革領域A:デジタル化による高度精密有機合成の新展開」第3回成果報告会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ニッケル触媒を活性化する有機光増感剤の反応性分類モデルの開発2023

    • Author(s)
      納戸直木、矢田陽、柳井毅、斎藤進
    • Organizer
      IRCCS成果報告会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 無機 Ni(II) 塩を用いたフェノール合成反応における有機光増感剤の反応性分類モデルの開発2022

    • Author(s)
      納戸直木
    • Organizer
      「学術変革領域A:デジタル化による高度精密有機合成の新展開」第2回成果報告会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ニッケル触媒を活性化する有機光増感剤の反応性分類モデルの開発2022

    • Author(s)
      納戸直木、矢田陽、柳井毅、斎藤進
    • Organizer
      第15回有機触媒シンポジウム
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 光・ニッケル触媒システムにおける 光増感剤の反応性予測を行う機械学習モデルの開発2022

    • Author(s)
      納戸直木、矢田陽、斎藤進
    • Organizer
      第53回中部化学関係学協会支部連合秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-06-20   Modified: 2024-12-25  

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