デジタル化による高度精密有機合成の新展開

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: デジタル化による高度精密有機合成の新展開
• 研究課題/領域番号: 21H05207
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 大嶋 孝志 九州大学, 薬学研究院, 教授 (10313123)
• 研究分担者: 小池 隆司 日本工業大学, 基幹工学部, 准教授 (30451991) ; 笹野 裕介 東北大学, 薬学研究科, 講師 (10636400) ; 高須 清誠 京都大学, 薬学研究科, 教授 (10302168) ; 安田 誠 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (40273601) ; 山口 潤一郎 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00529026) ; 菅 誠治 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (50291430) ; 跡部 真人 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (90291351) ; 外輪 健一郎 京都大学, 工学研究科, 教授 (00336009) ; 滝澤 忍 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (50324851) ; 椴山 儀恵 分子科学研究所, 生命・錯体分子科学研究領域, 准教授 (80447127) ; 矢島 知子 お茶の水女子大学, 基幹研究院, 教授 (10302994) ; 宮尾 知幸 奈良先端科学技術大学院大学, データ駆動型サイエンス創造センター, 准教授 (20823909) ; 小島 諒介 京都大学, 医学研究科, 講師 (70807651) ; 武田 和宏 静岡大学, 工学部, 准教授 (60274502) ; 松原 誠二郎 京都大学, 工学研究科, 教授 (90190496) ; 矢田 陽 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究チーム長 (70619965)
• 研究期間 (年度): 2021-09-10 – 2026-03-31
• キーワード: 有機合成 / 機械学習 / 官能基評価キット / デジタル創薬 / フロー反応 / ベイズ最適化

研究実績の概要

本領域研究では、革新反応開発に機械学習を徹底活用(実験科学と情報科学の異分野融合)することで、化学選択性の触媒制御法開発の超加速を実現し、その基礎となる官能基標的触媒を網羅的に創出することを目的とし、(1)機械学習による反応条件最適化の超加速、(2)官能基評価キット活用による化学選択性の網羅的データ集積、(3)機械学習による新反応制御因子の顕在化、(4)機械学習によりデザインされた革新分子の合成と評価、(5)開発した革新反応の反応モジュール化とフロー反応での活用の検討を行っており、総括班はこれらの研究を円滑に遂行できるようにするために様々な取り組みを行っている。R5年度は主に以下の検討を行った。
(1)実験化学者が機械学習を取り入れながら研究を行うための研究環境整備を行なった。①電子実験ノート（SignalsNotebook）からAPIを利用して、領域データベース用のフォーマットでデータを抽出する方法を完成させ、約2万個のデータを集積した。②対面式の機械学習勉強会を２回実施した。これらの勉強会は録画しいつでも視聴可能となっている。③①と②の環境整備を基盤に、機械学習を活用した共同研究を推進した。
(2)化学選択性の網羅的情報収集のための官能基評価キットを大量に準備した。合成が必要な４つの化合物は当初受託合成を依頼していたが、フロー合成による供給体制を整えた。準備した評価キットを多くの班員に配布し様々な反応において評価を行った。
(3)(5)フロー合成装置を有する拠点の設備をさらに補強し、共同研究を推進した。
(4)２回の国際会議を主催した他、各種シンポジウムでの発表や共催などを通じ、領域の活動の広報を行い、さらなる産学官連携強化を行なった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

(1)まず、実験化学者向けに機械学習の研究環境整備を行った。各班員および学生に向けた教育動画を更に充実させるとともに、進展の大きい情報科学の知識と活用法をアップデートするために、新たに２回の演習形式の勉強会を行った。連続型変数のベイズ最適化の検討は全ての班員が研究に利用できるようになった。また、領域データベースのフォーマットに合わせたデータの抽出ができるように、電子実験ノート用にテンプレートの作成とAPIの修正、GUIの作成を行い、誰でも簡単にデータの抽出を行えるようにした。溶媒効果や触媒構造などのデジタル化が困難な離散型変数の最適化のために総括班で立ち上げたプロジェクトを推進した。特に、溶媒効果に関しては、最適溶媒を提案可能なシステムを数種類構築し、それぞれの有効性を検証する段階となっている。金属触媒や有機触媒に関する機械学習に必要な特徴量を網羅したデータベースの構築も継続して実施している。
(2)網羅的な官能基共存性の評価を行うために構築した官能基評価キットを用いて、実際に様々な反応の評価を実施する段階となっている。予想外の発見も多く、評価キットを利用したシステムの有用性が示されている。
(3)電解反応や光反応のフロー反応化を行うための共同研究を推進し、ベイズ最適化を用いた反応条件最適化の効率化に成功した。また総括班で新たなプロジェクトを立ち上げ、フロー化が実現できていない反応のフロー化を検討するシステムを構築した。
(4)R5年5月と12月にそれぞれ領域主催の国際会議を行い、領域に関わる最先端研究の発表と情報収集を行うとともに、参加者間で意見交換を行い、今後の国際共同研究推進をはかった。また、国内の主催および共催のシンポジウムを開催し、また多くの招待講演を行うことで、広報活動に努めるとともに、産官学連携を強めた。

今後の研究の推進方策

R6年度はこれまでの検討結果をもとに、(1)から(5)の項目に関して、以下の検討を行う。
(1)総括班として機械学習の教育用動画を更に充実させる。これまで実施していた機械学習をチュートリアル形式で学ぶ若手勉強会に加え、フロー反応や電解反応を学ぶ若手勉強会、遷移状態探索を効率化できるGRRMの講習会などを実施する。電子実験ノートから領域データベースへのデータ提供を簡便に行うワークフローの領域内での普及を進める。データベースの将来的な拡張を企図し、領域データベースへの領域外の研究者の参画を推進するとともに、構築したデータベースの公開の準備を進めていく。(2)官能基評価キットを活用した化学選択性の網羅的情報収集のワークフローに関しても、領域外の研究者に開放し、その利用促進を図る。また、得られたデータから化学選択性のデータベースを構築し、そこから官能基共存性を予測する機械学習手法の構築を検討する。(3)引き続き、代表的な不斉金属触媒、不斉有機触媒の特徴量を網羅したデータベースの拡充を図り、計算科学と情報科学を融合させる。(4)デジタル創薬に関する共同研究をさらに拡充する。構造活性相関研究の対象を創薬から機能性材料に広げ、幅広いケミカルスペースでの有用物質探索を推し進める。(5)バッチ反応のフロー反応化を推進するために、総括班で新たに立ち上げたプロジェクトを活用し、フロー化が実現できていない反応のフロー化をを推し進める。また、固相担持触媒反応、電解フロー反応、光フロー反応などの検討を加速するための共同研究体制をさらに強化する。

研究成果

• [雑誌論文] Evaluating of functional group compatibility and development of reaction-accelerating additives in ammonium salt-accelerated hydrazinolysis of amides (2024)
  • 著者名/発表者名: J. Choi、A. Nawachi、N. Saito、Y. Kondo、H. Morimoto、T. Ohshima
  • 雑誌名: Frontiers in Chemistry 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.3389/fchem.2024.1378746
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synthesis of Heteroaromatic-Fused Cyclic β-Amino Acids by Rhodium-Catalyzed Electrophilic Amination (2024)
  • 著者名/発表者名: Noda Hidetoshi、Shibasaki Masakatsu、Manoharan Ramasamy、Asada Yasuko
  • 雑誌名: Synthesis 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1055/a-2282-7450
  • 査読あり
• [雑誌論文] Systematic Studies of Functional Group Tolerance and Chemoselectivity in Carbene-Mediated Intramolecular Cyclopropanation and Intermolecular C?H Functionalization (2024)
  • 著者名/発表者名: Kanda Haruki、Okabe Ayaka、Harada Shingo、Nemoto Tetsuhiro
  • 雑誌名: Chemical and Pharmaceutical Bulletin 巻: 72 ページ: 313～318
  • DOI: 10.1248/cpb.c24-00022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Additive-controlled chemoselective inter-/intramolecular hydroamination via electrochemical PCET process (2024)
  • 著者名/発表者名: Okamoto Kazuhiro、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: Beilstein Journal of Organic Chemistry 巻: 20 ページ: 264～271
  • DOI: 10.3762/bjoc.20.27
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sequential C?F Bond Transformation of the Difluoromethylene Unit in Perfluoroalkyl Groups: A Combination of Fine‐Tuned Phenothiazine Photoredox Catalyst and Lewis Acid (2024)
  • 著者名/発表者名: Sugihara Naoki、Nishimoto Yoshihiro、Osakada Yasuko、Fujitsuka Mamoru、Abe Manabu、Yasuda Makoto
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 63 ページ: -
  • DOI: 10.1002/anie.202401117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Light-induced autoxidation of aldehydes to peracids and carboxylic acids (2024)
  • 著者名/発表者名: Salem Mohamed S. H.、Dubois Carla、Takamura Yuya、Kitajima Atsuhito、Kawai Takuma、Takizawa Shinobu、Kirihara Masayuki
  • 雑誌名: Green Chemistry 巻: 26 ページ: 375～383
  • DOI: 10.1039/d3gc02951d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generalizability Improvement of Interpretable Symbolic Regression Models for Quantitative Structure?Activity Relationships (2024)
  • 著者名/発表者名: Shirasawa Raku、Takaki Katsushi、Miyao Tomoyuki
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 9 ページ: 9463～9474
  • DOI: 10.1021/acsomega.3c09047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional Group Evaluation Kit for Digitalization of Information on the Functional Group Compatibility and Chemoselectivity of Organic Reactions (2023)
  • 著者名/発表者名: Saito Natsuki、Nawachi Anna、Kondo Yuta、Choi Jeesoo、Morimoto Hiroyuki、Ohshima Takashi
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 96 ページ: 465～474
  • DOI: 10.1246/bcsj.20230047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Alkynylation of Aldehydes Initiated by Cathodic Reduction (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato Eisuke、Fujii Mayu、Mitsudo Koichi、Suga Seiji
  • 雑誌名: ChemElectroChem 巻: 11 ページ: -
  • DOI: 10.1002/celc.202300499
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis of Halogen-Bond-Donor-Site-Introduced Functional Monomers through Wittig Reaction of Perfluorohalogenated Benzaldehydes: Toward Digitalization as Reliable Strategy in Small-Molecule Synthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Momiyama Norie、Hori Tatsuaki、Kakinuma Shuya、Ohtsuka Naoya、Fujinami Takeshi、Suzuki Toshiyasu
  • 雑誌名: Synlett 巻: 34 ページ: 2455～2460
  • DOI: 10.1055/a-2118-6813
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis and Characterization of Dibenzothieno[<i>a</i>,<i>f</i>]pentalenes Enabling Large Antiaromaticity and Moderate Open-Shell Character through a Small Energy Barrier for Bond-Shift Valence Tautomerization (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizuno Yusuke、Nogata Akira、Suzuki Mitsuharu、Nakayama Ken-ichi、Hisaki Ichiro、Kishi Ryohei、Konishi Akihito、Yasuda Makoto
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 20595～20609
  • DOI: 10.1021/jacs.3c07356
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diastereoselective Electrocatalytic Hydrogenation of Cyclic Ketones Using a Proton-Exchange Membrane Reactor: A Step toward the Electrification of Fine-Chemical Production (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Yugo、Harada Juri、Fukazawa Atsushi、Suzuki Tomohiro、Kondo Junko N.、Shida Naoki、Atobe Mahito
  • 雑誌名: ACS Energy Letters 巻: 8 ページ: 1010～1017
  • DOI: 10.1021/acsenergylett.2c02573
  • 査読あり
• [雑誌論文] Data-driven Electrochemical One-pot Synthesis of Double Hetero[7]dehydrohelicene (2023)
  • 著者名/発表者名: SALEM Mohamed S. H.、SHARMA Rubal、KHALID Md. Imrul、SASI Meghna、AMASAKI Ryo、IMAI Yoshitane、ARISAWA Mitsuhiro、TAKIZAWA Shinobu
  • 雑誌名: Electrochemistry 巻: 91 ページ: 112015～112015
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.23-67092
  • 査読あり
• [雑誌論文] Machine Learning that Proposes Reaction Conditions and Yields for Wittig-type Methylenation of Aldehydes with Bis(iodozincio)methane in a Flow-microreactor (2023)
  • 著者名/発表者名: Maruoka Taiyo、Yada Akira、Sato Kazuhiko、Matsubara Seijiro
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 52 ページ: 397～399
  • DOI: 10.1246/cl.230133
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrochemical Carbon-Ferrier Rearrangement Using a Microflow Reactor and Machine Learning-Assisted Exploration of Suitable Conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato Eisuke、Tachiwaki Gaku、Fujii Mayu、Mitsudo Koichi、Washio Takashi、Takizawa Shinobu、Suga Seiji
  • 雑誌名: Organic Process Research &amp; Development 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1021/acs.oprd.2c00267
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chemometrics Approach Based on Wavelet Transforms for the Estimation of Monomer Concentrations from FTIR Spectra (2023)
  • 著者名/発表者名: Wakiuchi Araki、Jasial Swarit、Asano Shigehito、Hashizume Ryo、Hatanaka Miho、Ohnishi Yu-ya、Matsubara Takamitsu、Ajiro Hiroharu、Sugawara Tetsunori、Fujii Mikiya、Miyao Tomoyuki
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 8 ページ: 19781～19788
  • DOI: 10.1021/acsomega.3c01515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interface State Density Prediction between an Insulator and a Semiconductor by Gaussian Process Regression Models for a Modified Process (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsunaga Kanta、Harada Takuto、Harada Shintaro、Sato Akinori、Terai Shota、Uenuma Mutsunori、Miyao Tomoyuki、Uraoka Yukiharu
  • 雑誌名: ACS Omega 巻: 8 ページ: 27458～27466
  • DOI: 10.1021/acsomega.3c02980
  • 査読あり
• [学会発表] プロセス研究における「デジタル有機合成」の取り組み (2024)
  • 著者名/発表者名: 大嶋孝志
  • 学会等名: 九州工業大学大学院工学研究院 特別講義
  • 招待講演
• [学会発表] Digitalization-driven Transformative Organic Synthesis (Digi-TOS) (2024)
  • 著者名/発表者名: Ohshima T.
  • 学会等名: 4th Nobel Turing Challenge Initiative Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] プロセス研究における「デジタル有機合成」の取り組み (2023)
  • 著者名/発表者名: 大嶋孝志
  • 学会等名: 日本プロセス化学会2023ウィンターシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 創薬研究における「デジタル有機合成」の取り組み (2023)
  • 著者名/発表者名: 大嶋孝志
  • 学会等名: 第40回日本薬学会九州山口支部大会
  • 招待講演
• [学会発表] 化学選択性の触媒制御への挑戦そしてデジタル有機合成へ (2023)
  • 著者名/発表者名: 大嶋孝志
  • 学会等名: 第37回 若手化学者のための化学道場
  • 招待講演
• [学会発表] α-四置換型非天然α-アミノ酸の新規触媒的合成法の開発と 「デジタル有機合成」 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大嶋孝志
  • 学会等名: 第38回創薬セミナープログラム
  • 招待講演
• [学会発表] Catalytic Chemoselectigve α-Functionalization of Carboxylic Acids (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohshima T.
  • 学会等名: 14th AFMC International Medicinal Chemistry Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Digitalization-driven Transformative Organic Synthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohshima T.
  • 学会等名: 7thGratama Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Photoinduced Synthesis of Fluorine-Containing Organic Compounds (2023)
  • 著者名/発表者名: Yajima, T.
  • 学会等名: 10th Pacific Symposium on Radical Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Synthesis of Perfluoroalkyl Containing Organic Molecules by Visible Light Induced Reaction (2023)
  • 著者名/発表者名: Yajima, T.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Bilateral Polymer Symposium 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヨウ化ペルフルオロアルキルを活用した可視光反応の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 矢島知子
  • 学会等名: 第26回ヨウ素学会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 可視光ペルフルオロアルキル化反応の開発とその展開 (2023)
  • 著者名/発表者名: 矢島知子
  • 学会等名: 第39回有機合成化学セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 光ペルフルオロアルキル化反応と高分子化合物への展開 (2023)
  • 著者名/発表者名: 矢島知子
  • 学会等名: 第104回千葉地域活動高分子研究交流講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 可視光フロー反応によるフルオロアルキル化化合物の合成法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 矢島知子
  • 学会等名: 第85回関東支部シンポジウム ー新潟シンポジウムー
  • 招待講演
• [学会発表] Electrocatalytic Hydrogenation Reactions Using a Solid Polymer Electrolyte (SPE) Reactor (2023)
  • 著者名/発表者名: Atobe, M.
  • 学会等名: International Joint Symposium on Synthetic Organic Chemistry 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 固体高分子電解質電解技術が革新する新たな有機電解プロセス (2023)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 学会等名: 第13回CSJ化学フェスタ
  • 招待講演
• [学会発表] 第７回FlowSTシンポジウム (2023)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 学会等名: 第７回FlowSTシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] フローリアクターが革新する新たな有機電解合成プロセス (2023)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 学会等名: 2022年度有機合成化学講習会
  • 招待講演
• [学会発表] Organic Electrosyntheses Using a Proton Exchange Membrane (PEM) Reactor (2023)
  • 著者名/発表者名: Atobe, M.
  • 学会等名: International Symposium on Innovative Reactions through Controlling Electrons (ISIRCE)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Integrated Flow Emulsion Electrosynthetic System for Oxidation of Hydrophobic Amines (2023)
  • 著者名/発表者名: Atobe, M.
  • 学会等名: The 15th International Symposium on Organic Reactions (ISOR-15)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of Integrated Flow Emulsion Electrosynthetic System for Oxidation of Hydrophobic Amines (2023)
  • 著者名/発表者名: Atobe, M.
  • 学会等名: 9th German_Japanese Symposium on Electrosynthesis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of Integrated Flow Emulsion Electrosynthetic System (2023)
  • 著者名/発表者名: Atobe, M.
  • 学会等名: 17th Meeting of the European Society of Sonochemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 固体高分子電解質（SPE）電解技術が革新する有機電解合成プロセス (2023)
  • 著者名/発表者名: 跡部真人
  • 学会等名: 第30回グリーンケミストリーフォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] Organic Electrosynthetic Reactions Using a Proton-Exchange Membrane (PEM) Reactor (2023)
  • 著者名/発表者名: Atobe, M.
  • 学会等名: 72nd ISE Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 化学における情報・AIの活用「バッチ型自動反応実験装置の活用と化学反応空間の構築」 (2023)
  • 著者名/発表者名: 椴山儀恵
  • 学会等名: 第104 日本化学会春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] 「「ハレニウム錯体触媒の創成_「デジタル有機合成による反応開発への挑戦」」 (2023)
  • 著者名/発表者名: 椴山儀恵
  • 学会等名: 第９回 千葉大学キラリティーネットワーク研究会（WCCU）シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 最少学習データによるデータ駆動型精密有機合成反応の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 滝澤忍
  • 学会等名: 高分子講演会（東海）
  • 招待講演
• [学会発表] 有機合成DXへの挑戦：過去・現在・近未来 (2023)
  • 著者名/発表者名: 椴山儀恵
  • 学会等名: 2023年度分子研異分野技術交流セミナー（第6回）
  • 招待講演
• [学会発表] 典型元素の特長を活かした構造制御による新反応開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 安田 誠
  • 学会等名: 令和5年度有機合成若手セミナー（東海支部）
  • 招待講演
• [学会発表] Photocatalytic Radical Alkylation Using Alkyl Benzoates (2023)
  • 著者名/発表者名: Koike, T.
  • 学会等名: 3rd Workshop on Radical and Electron Transfer Reactions (RETR-3)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radical Fluoroalkylation Reactions by Highly Reducing Organic Photocatalysts (2023)
  • 著者名/発表者名: Koike, T.
  • 学会等名: 10th Pacific Symposium on Radical Chemistry (PSRC)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 有機合成のデジタル化に基づく分子性ハロゲンの科学 － 有機合成DXへの挑戦 － (2023)
  • 著者名/発表者名: 椴山儀恵
  • 学会等名: セミナー“化学千一夜”「あすの化学への夢を語ろう」
  • 招待講演
• [備考] 学術変革領域研究(A)「デジタル有機合成」
  • URL: https://digi-tos.jp
• [学会・シンポジウム開催] 7th Gratama Workshop (2023)
• [学会・シンポジウム開催] 2nd International Symposium on Digitalization-driven Transformative Organic Synthesis (ISDigiTOS-2) (2023)