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本研究では、これまでの計算化学では不可能であった複雑な溶液反応を解析できる革新的マルチスケール分子動力学法を確立することによって、水を反応場とする未知の有機反応メカニズムの理論的解明にあたった。有機溶媒に頼らない新たな有機合成ルートはグリーンケミストリー分野で重要課題であるが、なかでも近年注目されている水溶液中の立体選択的反応を研究対象とする。マルチスケール法では、反応中心と周辺の水の部分を量子化学計算で扱いつつ、バルクの水を古典力場計算で扱うことで、複雑な水溶液のシミュレーションが可能となる。しかし、水溶液中の化学反応は確率的に稀にしか起きないレア・イベント事象であるため、通常の分子動力学法で扱うことができない。そこで、レア・イベント手法とマルチスケール法の統合し、複雑な自由エネルギー面上の化学反応経路探索を可能にする新しいシミュレーション手法を開発した。これを応用して、高温高圧下における多価アルコール脱水反応を解析した。今年度は、バイオマス変換プロセスとして重要な、高温水中でのソルビトールの脱水反応のメカニズムを理解するため、第一原理および半経験的電子状態理論に基づくメタダイナミクス計算、遷移経路サンプリング計算を大規模に実施し、自由エネルギー解析を行った。その結果、ヒドロキシル基プロトン化を経由した SN2 反応によって、五員環エーテルを生成する仕組みを分子レベルで初めて解明した。水よりも炭酸、塩酸水溶液では SN2 反応プロセスにおける自由エネルギー障壁が低くなるため、反応速度が加速することがわかった。理論的研究を通じて見いだされた詳細なメカニズムは、どのようにして反応経路で選択的であるか、なぜ酸性度によって反応速度が変化するかなど、実験ではわからない明確な根拠を与える。
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