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2020 年度 実績報告書

自動反応経路探索を用いるハイブリッド触媒系の機構解明と反応性決定因子の抽出

計画研究

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 17H06445
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

畑中 美穂  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (80616011)

研究分担者 Sameera W.M.C.  北海道大学, 低温科学研究所, 特任助教 (90791278)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワード反応経路自動探索 / 人工力誘起反応法
研究実績の概要

本学術領域内で開発された触媒反応の機構を明らかにするべく、反応経路自動探索を用いた解析を行った。本年は、山下らのグループ(A02班)の不斉マンニッヒ反応に着目した。この反応は、光学活性なビスオキサゾリンカリウム塩(K-BOX)とカリウムヘキサメチルジシラジド(KHMDS)を触媒量添加することで、高収率、高立体選択的に進行する。我々は、この系における触媒活性種を明らかにすべく、K-BOXとKHMDSの会合体の構造を、人工力誘起反応法を用いて網羅的に探索した。その結果、2つのカリウムカチオンに対して、ビスオキサゾリン配位子1分子が配位した二核錯体構造が安定に存在することを明らかにした。
また、機械学習による触媒能の予測システム構築のためのデータベース作りにも取り組んだ。金属錯体触媒の配位子の情報を説明変数、触媒能(収率や選択性などの実験値)を目的変数とする機械学習モデルを構築するためには、多数の金属錯体触媒のデータが不可欠である。このデータを高効率に収集するために、ケンブリッジ結晶構造データセンターのデータベースに登録されている金属錯体の結晶構造データのmol2ファイルから、量子化学計算の入力ファイルを自動生成するシステムを構築した。(このシステムでは、結晶構造に含まれる溶媒やカウンターイオンの除去、全電荷の特定も自動で実施できる。)テスト計算として、Ce光還元触媒に着目し、Ce, H, C, N, Oを含むCe単核錯体約200種の構造最適化、励起状態計算の結果が2週間以内に収集できることを確認した。

現在までの達成度 (区分)
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

触媒能を予測する機械学習システムの構築のためには、(1)触媒構造のデータベースと(2)その触媒を含む素反応の反応経路データベースの2種が必要である。研究開始前は、(1)のデータを作るために、金属錯体の初期構造を作成するプログラムが必要だと考えており、この開発に手間取っていたが、結晶構造データベースを利用するという代替手段を見つけたことで、(1)の段階が大きく進展した。(2)の自動計算システム構築の目途は立っているため、本プロジェクト終了までに、(1)(2)のデータベース構築が順調に進むと考えている。

今後の研究の推進方策

触媒能を予測する機械学習システム構築に向けたデータベース作り、及び、実験データを目的変数とする機械学習モデル構築を行う。上記の通り、触媒構造のデータを結晶構造データベースを元に作るシステムができたため、今後は様々な金属錯体に対する計算データを蓄積していく。Ce光還元触媒については、触媒活性に関わるとされる2種の物理量(f-d遷移の励起エネルギーと遷移双極子モーメント)のデータを収集する。この2つの物理量の理論計算には、4f電子を含む励起状態計算が不可欠であるが、4f電子の特徴を活かし、4f電子を有効内殻ポテンシャルに含めた基底状態の計算で得られる5d軌道の情報から予測できるよう、機械学習モデルを構築する。構築したモデルを元に、ハイスループットスクリーニングを行い、高い活性を持つ触媒を抽出することを目指す。
また、これと並行して、金属錯体触媒(主にPd)の素反応の反応経路のデータを、人工力誘起反応法を用いて収集していく。素反応経路の活性化エネルギーや構造変化のデータを説明変数、実験データを目的変数とする機械学習モデルを構築し、高い触媒活性・選択性を持つ触媒の配位子の探索に活用する。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (12件) (うち招待講演 12件)

  • [雑誌論文] Palladium‐Catalyzed Regioselective and Stereospecific Ring‐Opening Suzuki‐Miyaura Arylative Cross‐Coupling of 2‐Arylazetidines with Arylboronic Acids2021

    • 著者名/発表者名
      Takeda Youhei、Toyoda Kazuya、Sameera W. M. C.、Tohnai Norimitsu、Minakata Satoshi
    • 雑誌名

      Advanced Synthesis & Catalysis

      巻: 363 ページ: 2796~2805

    • DOI

      10.1002/adsc.202100195

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Chiral Metal Salts as Ligands for Catalytic Asymmetric Mannich Reactions with Simple Amides2021

    • 著者名/発表者名
      Yamashita Yasuhiro、Noguchi Aika、Fushimi Seiya、Hatanaka Miho、Kobayashi Shu
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 143 ページ: 5598~5605

    • DOI

      10.1021/jacs.0c13317

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stereoselectivity of the Biginelli Reaction Catalyzed by Chiral Primary Amine: A Computational Study2021

    • 著者名/発表者名
      Takayoshi Yoshimura, Maneeporn Puripat, Vudhichai Parasuk, Miho Hatanaka
    • 雑誌名

      Heterocycles

      巻: 103 ページ: in press

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Palladium-Catalyzed Regioselective and Stereospecific Ring-Opening Cross-Coupling of Aziridines: Experimental and Computational Studies2020

    • 著者名/発表者名
      Takeda Youhei、Sameera W. M. C.、Minakata Satoshi
    • 雑誌名

      Accounts of Chemical Research

      巻: 53 ページ: 1686~1702

    • DOI

      10.1021/acs.accounts.0c00395

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A dinuclear Mo2H8 complex supported by bulky C5H2tBu3 ligands2020

    • 著者名/発表者名
      Ohki Yasuhiro、Ishihara Kodai、Yaoi Moeko、Tada Mizuki、Sameera W. M. C.、Cramer Roger E.
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 56 ページ: 8035~8038

    • DOI

      10.1039/D0CC03274C

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis of Dinuclear Mo-Fe Hydride Complexes and Catalytic Silylation of N22020

    • 著者名/発表者名
      Ishihara Kodai、Araki Yuna、Tada Mizuki、Takayama Tsutomu、Sakai Yoichi、Sameera W. M. C.、Ohki Yasuhiro
    • 雑誌名

      Chemistry - A European Journal

      巻: 26 ページ: 9537~9546

    • DOI

      10.1002/chem.202000104

    • 査読あり
  • [学会発表] 反応経路のデータベースと機械学習を用いた触媒推薦システムの構築2021

    • 著者名/発表者名
      畑中美穂
    • 学会等名
      日本化学会第 101 春季年会(2021)
    • 招待講演
  • [学会発表] 反応経路自動探索を用いる触媒反応の理論的研究-機構解明・触媒設計を目指して-2021

    • 著者名/発表者名
      畑中美穂
    • 学会等名
      日本化学会第 101 春季年会(2021)
    • 招待講演
  • [学会発表] 理論・計算化学による機能性材料の機構解明と分子設計2021

    • 著者名/発表者名
      畑中美穂
    • 学会等名
      日本化学会第 101 春季年会(2021)
    • 招待講演
  • [学会発表] 自動反応経路探索を用いるハイブリッド触媒系の機構解明と反応性決定因子の抽出2021

    • 著者名/発表者名
      畑中美穂
    • 学会等名
      ハイブリッド触媒第4回公開シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 反応経路のデータベースと機械学習を用いる触媒・発光材料の理解・分子設計2021

    • 著者名/発表者名
      畑中美穂
    • 学会等名
      分子研計算科学研究センターwork shop
    • 招待講演
  • [学会発表] Theoretical study on Lanthanide Luminescence Materials2020

    • 著者名/発表者名
      畑中美穂
    • 学会等名
      ナノ学会合同部会シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 反応経路自動探索を用いる触媒反応の理論的研究ー機構解明・触媒設計を目指してー2020

    • 著者名/発表者名
      畑中美穂
    • 学会等名
      日本コンピュータ化学会2020年秋季年会
    • 招待講演
  • [学会発表] 反応経路のデータベースと機械学習を用いる触媒・発光材料の理解・分子設計2020

    • 著者名/発表者名
      畑中美穂
    • 学会等名
      近畿化学協会 機能性色素部会・エレクトロニクス部会合同 公開講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 理論・計算化学を用いるランノイド発光材料の理解・分子設計2020

    • 著者名/発表者名
      畑中美穂
    • 学会等名
      錯体化学会オンライン研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Radical species on interstellar ices: a quantum mechanics/molecular mechanics study2020

    • 著者名/発表者名
      W. M. C. Sameera
    • 学会等名
      CICO-VICO Fall 2020 Workshop
    • 招待講演
  • [学会発表] Advances and challenges in modelling reaction mechanisms2020

    • 著者名/発表者名
      W. M. C. Sameera
    • 学会等名
      Department of Chemistry School of Life Sciences, University of Sussex, UK
    • 招待講演
  • [学会発表] On the mechanistic puzzles of homogeneous catalysis.2020

    • 著者名/発表者名
      W. M. C. Sameera
    • 学会等名
      Institute for Materials Chemistry and Engineering, Kyushu University, Japan.
    • 招待講演

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公開日: 2021-12-27  

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