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ハイブリッド触媒開発を加速するデータ駆動型インシリコ分子設計法の構築

公募研究

研究領域分子合成オンデマンドを実現するハイブリッド触媒系の創製
研究課題/領域番号 20H04831
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

山口 滋  国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 客員研究員 (70620821)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
2021年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2020年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワード分子場解析 / 不斉触媒 / データ駆動型触媒設計 / 機械学習 / 量子化学計算 / インシリコ触媒設計 / 有機合成DX / 触媒インフォマティクス / 分子性触媒 / インシリコ分子設計 / 触媒的不斉合成
研究開始時の研究の概要

人工知能の中核であるデータサイエンスは自然科学研究にも大きな変革をもたらしつつある。本研究の主題である分子触媒におけるデータサイエンスの課題として、データ駆動による直接的かつ効率的な高性能触媒設計法の構築が挙げられる。本研究では不斉触媒反応を対象に、分子場解析と呼ばれる回帰手法を用い、データ駆動により効率的にハイブリッド触媒を設計するための方法論を提唱・構築する。

研究実績の概要

本研究では分子触媒のin silicoでのデータ駆動型設計法の提唱・構築を目的としている。とくにハイブリッド触媒を設計対象とする。軸となる手法は、分子場解析と呼ばれる3次元構造活性相関(3D-QSAR:Quantitative Structure-Activity Relatio nship)手法である。不斉触媒反応における分子場解析とは、生成物の鏡像異性体比と、触媒など分子の3次元構造から計算した分子構造情報(分子場)との間の回帰分析である。作成した回帰式の回帰係数の値の大小からエナンチオ選択性にとって重要な構造情報を抽出・可視化できる。どこに置換基を導入すれば選択性が向上するか一目でわかることから効率的に不斉触媒を設計できると期待される。これまでに不斉触媒反応におけるデータ駆動型分子設計のための、分子場解析に基づく方法論の基礎を固めることに成功している。本研究では、分子場解析によるデータ駆動型触媒設計に基づき有機合成の難題である複雑な反応(立体分岐型不斉合成)の制御が可能であることを見出した。また、これまでに解析に用いていたエナンチオ選択性の実験値ではなく、量子化学計算により算出したエナンチオ選択性の値と、対応する遷移状態の構造を用いて分子場解析を行ない、実験によりエナンチオ選択性が向上することを確認した。本成果を論文の形にまとめることができた。本研究で構築に成功したin silico触媒設計手法は、実験データの収集が難しい様々な系に適用可能であり、ハイブリッド触媒系のような複雑な反応の制御を促進することが期待される。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件、 招待講演 4件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Molecular Field Analysis Using Computational-Screening Data in Asymmetric N-Heterocyclic Carbene-Copper Catalysis toward Data-driven in silico Catalyst Optimization2022

    • 著者名/発表者名
      Mukai, M.; Nagao, K.; Yamaguchi, S.; Ohmiya, H.
    • 雑誌名

      Bull. Chem. Soc. Jpn.

      巻: 95 号: 2 ページ: 271-277

    • DOI

      10.1246/bcsj.20210349

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Modular Access to Spiro-dihydroquinolines via Scandium-Catalyzed Dearomative Annulation of Quinolines with Alkynes2021

    • 著者名/発表者名
      Lou Shao-Jie、Luo Gen、Yamaguchi Shigeru、An Kun、Nishiura Masayoshi、Hou Zhaomin
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 143 号: 48 ページ: 20462-20471

    • DOI

      10.1021/jacs.1c10743

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Data-driven catalyst optimization for stereodivergent asymmetric synthesis by iridium/boron hybrid catalysis2021

    • 著者名/発表者名
      Chen Hongyu、Yamaguchi Shigeru、Morita Yuya、Nakao Hiroyasu、Zhai Xiangning、Shimizu Yohei、Mitsunuma Harunobu、Kanai Motomu
    • 雑誌名

      Cell Reports Physical Science

      巻: 2 号: 12 ページ: 100679-100679

    • DOI

      10.1016/j.xcrp.2021.100679

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] データ駆動型触媒設計にむけたキラルボラート触媒の立体制御機構解析2022

    • 著者名/発表者名
      上岡 史人、山口 滋、浦口 大輔、大井 貴史
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ハメット則の拡張としてのデータ駆動型触媒設計法構築2022

    • 著者名/発表者名
      山口滋
    • 学会等名
      ハイブリッド触媒若手道場オンライン
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Molecular field analysis for data-driven catalyst material design2021

    • 著者名/発表者名
      Shigeru Yamaguchi
    • 学会等名
      International Symposium on Biopolymer Material Informatics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 酵素反応のエナンチオ選択性向上を目指した理論解析2021

    • 著者名/発表者名
      右京 陸,山口 滋,佐藤 啓文,東雅大
    • 学会等名
      理論化学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] データ駆動型分子設計を利用したイリジウム/ホウ素ハイブリッド触媒系によるカルボン酸α位不斉アリル化反応の最適化2021

    • 著者名/発表者名
      陳 虹宇、山口 滋、森田 雄也、中尾 裕康、Xiangning Zhai、清水 洋平、三ツ沼 治信、金井 求
    • 学会等名
      日本薬学会第141回年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] データ駆動によるキラルN-ヘテロ環カルベン配位子の設計と不斉銅触媒反応への応用2021

    • 著者名/発表者名
      向真潔、長尾一哲、山口滋、大宮寛久
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 分子性触媒インフォマティクスの基礎2021

    • 著者名/発表者名
      山口滋
    • 学会等名
      名古屋大学GTR次世代講義
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 分子性触媒におけるインフォマティクス2021

    • 著者名/発表者名
      山口滋
    • 学会等名
      CMCリサーチウェビナー
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [図書] マテリアルズ・インフォマティクス開発事例最前線2021

    • 著者名/発表者名
      山口滋(分担執筆:第3編 第5章 触媒 第1節)
    • 総ページ数
      322
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784860437084
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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