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2021 Fiscal Year Research-status Report

Mechanistic Insights into metal- and enzyme-catalyzed reactions using hybrid quantum chemical and information science approaches

Research Project

Project/Area Number 21K05016
Research InstitutionIbaraki University

Principal Investigator

森 聖治  茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (50332549)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords触媒反応 / 密度汎関数法計算 / 非共有結合相互作用 / QM/MM法 / MDシミュレーション / 選択性
Outline of Annual Research Achievements

(1)キラルなオキソバナジウム触媒を用いたオレフィンのエナンチオ選択的1,2-トリフルオロメチル化反応のメカニズムを3種類検討したところ、ベンジルラジカルが酸素原子に直接攻撃する経路で進行することが示唆された。その後二種類の触媒モデルでそれぞれ遷移状態のコンフォメーション探索をおこなった。計算結果は実験結果と同じ傾向を示し、不斉配位子上の置換基が立体制御に非常に重要であることを明らかにし、学術誌論文に報告した。
(2)医学的にも重要な酵素である3α-ヒドロキシステロイドデヒドロゲナーゼ(3α-HSD)のダイナミクスと還元反応の検討を行った。我々は活性部位周辺における各残基の役割を詳述するために分子動力学(MD)シミュレーション及び量子力学と分子力学のハイブリッド(QM/MM)計算を行った。100 nsのMDシミュレーションにおいては、結果についてDBSCAN (Density-based Spatial Clustering of Applications with Noise)法でクラスタリングを行った。この方法の特徴は、クラスタの数をあらかじめ設定しなくてもよいというところにある。さらに、代表的なクラスターについて、ONIOM-ME(M06-2X/def-2SVP:Amber)計算により構造最適化を行った。タンパク質から3オングストローム以上離れた水分子は除去した。QM領域とMM領域の設定には3種類のモデルを用いた。QM/MM計算後の電子密度トポロジカル解析によって、還元剤である補因子NADPHの近傍にあるTyr216残基は、NADPHとTYr216ベンゼン環の間の非共有結合相互作用によって反応の進行を助け、生成物の安定化に寄与するという重要な役割を持つと示唆された。また、基質と相互作用している水分子を含め、適切なQM領域の設定が重要であることが明らかになった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究に関しては、(1)の課題で、ACS Catalysis, (2)の課題ではJournal of Physical Chemistry Bといずれもアメリカ化学会の学術雑誌に論文として報告することができた。とくに(1)の成果は、EurekAlert!にニュースリリースした。さらに、(2)の課題の還元酵素反応解析においては、MDシミュレーションにおいて、クラスタリングを含む情報科学的解析が重要であることが示された。

Strategy for Future Research Activity

(1)バナジウム触媒の反応については、カップリングパートナーを変えた検討を行う。このとき、立体配座がさらに多くなることが予想されるので、スクリーニングのための情報科学的手法を取り入れたい。(2)については、プロスタグランジン合成酵素の反応経路の検討を予定している。

Causes of Carryover

予定されていたいくつかの国内学会出張がオンライン化されたことによりなくなったため。次年度では、研究成果発表経費(2022年7月カナダ・バンクーバーで開催される国際会議)に計上する。

  • Research Products

    (20 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 8 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (3 results)

  • [Int'l Joint Research] チェンマイ大学/BIOTEC(タイ)

    • Country Name
      THAILAND
    • Counterpart Institution
      チェンマイ大学/BIOTEC
  • [Int'l Joint Research] 台湾・国立精華大学/Fu Jen Catholic University(その他の国・地域)

    • Country Name
      その他の国・地域
    • Counterpart Institution
      台湾・国立精華大学/Fu Jen Catholic University
  • [Int'l Joint Research] ANSTO(オーストラリア)

    • Country Name
      AUSTRALIA
    • Counterpart Institution
      ANSTO
  • [Journal Article] Integrated Experimental and Computational Studies on the Organocatalytic Kinetic Resolution of β-Unfunctionalized Primary Alcohols Using a Chiral 1,2-Diamine: The Importance of Noncovalent Interactions2022

    • Author(s)
      Sakai Naoki、Ojima Kohei、Mori Seiji、Oriyama Takeshi
    • Journal Title

      The Journal of Organic Chemistry

      Volume: 87 Pages: 4468~4475

    • DOI

      10.1021/acs.joc.1c03033

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Reaction Path Determination of Rhodium(I)-Catalyzed C-H Alkylation of N-8-Aminoquinolinyl Aromatic Amides with Maleimides2021

    • Author(s)
      Taborosi Attila、He Qiyuan、Ano Yusuke、Chatani Naoto、Mori Seiji
    • Journal Title

      The Journal of Organic Chemistry

      Volume: 87 Pages: 737~743

    • DOI

      10.1021/acs.joc.1c02737

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Solid State Characterization of One‐ and Two‐Electron Oxidized CuII‐salen Complexes with para‐Substituents: Geometric Structure‐Magnetic Property Relationship2021

    • Author(s)
      Takeyama Tomoyuki、Suzuki Takashi、Kikuchi Misa、Kobayashi Misato、Oshita Hiromi、Kawashima Kyohei、Mori Seiji、Abe Hitoshi、Hoshino Norihisa、Iwatsuki Satoshi、Shimazaki Yuichi
    • Journal Title

      European Journal of Inorganic Chemistry

      Volume: 2021 Pages: 4133~4145

    • DOI

      10.1002/ejic.202100776

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] H/D Isotope Effects in Keto-Enol Tautomerism of β-Dicarbonyl Compounds: Importance of Nuclear Quantum Effects of Hydrogen Nuclei2021

    • Author(s)
      Udagawa Taro、Murphy Rhys B.、Darwish Tamim A.、Tachikawa Masanori、Mori Seiji
    • Journal Title

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      Volume: 94 Pages: 1954~1962

    • DOI

      10.1246/bcsj.20210083

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Calculation of CYP450 protein-ligand binding and dissociation free energy paths2021

    • Author(s)
      Su Kuan-Hsuan、Wu Chin-Teng、Lin Shang-Wei、Mori Seiji、Liu Wei-Min、Yang Hsiao-Ching
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 155 Pages: 025101~025101

    • DOI

      10.1063/5.0046169

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Combined Computational and Experimental Studies on the Asymmetric Michael Addition of α-Aminomaleimides to β-Nitrostyrenes Using an Organocatalyst Derived from Cinchona Alkaloid2021

    • Author(s)
      Sakai Naoki、Kawashima Kyohei、Kajitani Masashi、Mori Seiji、Oriyama Takeshi
    • Journal Title

      Organic Letters

      Volume: 23 Pages: 5714~5718

    • DOI

      10.1021/acs.orglett.1c01831

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enantioselective Radical Type, 1,2-Oxytrifluoromethylation of Olefins Catalyzed by Chiral Vanadyl Complexes: Importance of Noncovalent Interactions2021

    • Author(s)
      Chen Chien-Tien、Su Yu-Cheng、Lu Chia-Hao、Lien Chien-I、Hung Shiang-Fu、Hsu Chan-Wei、Agarwal Rachit、Modala Ramuasagar、Tseng Hung-Min、Tseng Pin-Xuan、Fujii Ryoma、Kawashima Kyohei、Mori Seiji
    • Journal Title

      ACS Catalysis

      Volume: 11 Pages: 7160~7175

    • DOI

      10.1021/acscatal.1c01813

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Combined MD and QM/MM Investigations of Hydride Reduction of 5α-Dihydrotestosterone Catalyzed by Human 3α-Hydroxysteroid Dehydrogenase Type 3: Importance of Noncovalent Interactions2021

    • Author(s)
      Mitsuizumi Hiroaki、Mori Seiji
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 125 Pages: 4998~5008

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.1c01751

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] キラル1,2-ジアミン触媒を用いるβ位に官能基を有さない第一級アルコールの速度論的光学分割2022

    • Author(s)
      酒井 直樹、小島 嵩平、森 聖治、折山 剛
    • Organizer
      日本化学会 第102春季年会 (2022)
  • [Presentation] パラジウム触媒によるAlkenyl Carboxylatesのクロスカップリング反応の理論的研究2022

    • Author(s)
      岡本 優悟,森 聖治
    • Organizer
      日本化学会 第102春季年会 (2022)
  • [Presentation] キラルなバナジウム触媒を用いた酸化的1,2-トリフルオロメチル化反応の理論的研究2022

    • Author(s)
      藤井 稜馬, Bang-You Tsai, Tsung-Cheng Chen, Chien-I Lein, Yu-Chang Chang, Pin-Xuan Tseng, Chin-Wei Chuang, Rachit Agarwal, Chan-Wei Hsu, Chien-Tien Chen, 森 聖治
    • Organizer
      日本化学会 第102春季年会 (2022)
  • [Presentation] Theoretical Investigations of Palladium-Catalyzed Cross-Coupling of Alkenyl Carboxylates2021

    • Author(s)
      岡本 優悟,森 聖治
    • Organizer
      日本コンピュータ化学会2021秋季年会
  • [Presentation] Theoretical study on the asymmetric Michael addition of α-aminomaleimides to β-nitrostyrenes2021

    • Author(s)
      酒井直樹,森聖治,折山剛,川島恭平
    • Organizer
      令和3年度化学系学協会東北大会
  • [Presentation] Computational Perspectives of Non-covalent Interactions in Transition Metal- and Enzyme-catalyzed Reactions2021

    • Author(s)
      森 聖治
    • Organizer
      錯体化学会第71回討論会
    • Invited
  • [Remarks] 物理有機化学ホームページ

    • URL

      http://smori.sci.ibaraki.ac.jp/

  • [Remarks] β位に官能基を有さない第一級アルコールの速度論的光学分割法の開発に成功

    • URL

      https://www.ibaraki.ac.jp/news/2022/03/07011531.html

  • [Remarks] 前例のない4成分の非対称ラジカル1,4-オキシトリフルオロメチル化反応の開発に成功

    • URL

      https://www.ibaraki.ac.jp/news/2021/06/22011254.html

URL: 

Published: 2022-12-28  

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