量子化学・情報科学融合アプローチによる金属及び酵素触媒反応機構の解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K05016
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 森 聖治 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 教授 (50332549)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 触媒反応 / 密度汎関数法計算 / 非共有結合相互作用 / QM/MM法 / 酵素

研究実績の概要

本研究では、高精度量子化学計算と情報科学的解析を融合させることで、合成化学的に重要な金属を用いた均一的触媒反応および、医学的にも重要な酵素反応機構の非共有結合性相互作用、添加物の効果、立体配座によるエネルギー分布をはじめとした統計力学的効果および動力学効果の役割を明確にすることを目的とする。期間全体の実績として、（１）キラルなバナジウム触媒を用いた高エナンチオ選択的な1,2-酸化的トリフルオロメチル化反応のエナンチオ選択性についてDFT計算と、フラグメント分子軌道法、エネルギー分割解析を組み合わせた検討を行った。カップリングパートナーが変わると非共有結合性相互作用が増し、エナンチオ選択性の向上が見られると考えられる結果を得た。遷移状態における配座解析も行った。（２）ロジウムおよびパラジウム触媒による炭素-水素結合活性化を経由した配向基を含むα―マレイミドとのカップリング反応や芳香族アミドとマレイミドの位置選択的な[3+2]環化付加反応に関するDFT計算を行い、メカニズムの解明や律速段階の予測などを論文に報告した。（３）さらにAu(I)錯体が、インドール誘導体とエニノールによるインドール縮環型七員環形成反応において優れた不斉触媒として機能することを見出した。期間全体を通じてフェレドキシン依存酵素PcyAおよび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を、マルチフィジックス手法やクラスタリングなどの情報科学的手法を組み合わせながら検討し、立体配座の重要性を理解した。

研究成果

• [国際共同研究] ベトナム国家大学自然科学大学 ハノイ校(ベトナム)
  • 国名: ベトナム
  • 外国機関名: ベトナム国家大学自然科学大学 ハノイ校
• [国際共同研究] チェンマイ大学(タイ)
  • 国名: タイ
  • 外国機関名: チェンマイ大学
• [国際共同研究] 台湾・清華大学(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 台湾・清華大学
• [雑誌論文] Asymmetric cyclization catalyzed by a chiral phosphoric acid?gold(I) hybrid complex as a multifunctional catalyst (2024)
  • 著者名/発表者名: Taniguchi Naoya、Ueda Mitsuhiro、Michigami Kenichi、Mori Seiji、Ohashi Masato
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 97 ページ: uoae026
  • DOI: 10.1093/bulcsj/uoae026
  • 査読あり
• [雑誌論文] Incorporation of a bromine atom into DNA-related molecules changes their electronic properties (2023)
  • 著者名/発表者名: Hirato Misaki、Yokoya Akinari、Baba Yuji、Mori Seiji、Fujii Kentaro、Wada Shin-ichi、Izumi Yudai、Haga Yoshinori
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 25 ページ: 14836～14847
  • DOI: 10.1039/D3CP01597A
  • 査読あり
• [雑誌論文] Systematic elucidation of the second coordination sphere effect on the structure and properties of a blue copper protein, pseudoazurin (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Takahide、Taborosi Attila、Sakai Chihiro、Akao Kohei、Mori Seiji、Kohzuma Takamitsu
  • 雑誌名: Journal of Inorganic Biochemistry 巻: 246 ページ: 112292～112292
  • DOI: 10.1016/j.jinorgbio.2023.112292
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theoretical Investigations of Palladium‐Catalyzed [3+2] Annulation via Benzylic and <i>meta</i> C?H Bond Activation (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshimoto Rie、Taborosi Attila、He Qiyuan、Ano Yusuke、Chatani Naoto、Mori Seiji
  • 雑誌名: Chemistry - An Asian Journal 巻: 18 ページ: e202300531
  • DOI: 10.1002/asia.202300531
  • 査読あり
• [雑誌論文] Asymmetric Cross Couplings of Trifluoromethyl Radical to Vinylarenes with <i>N</i>‐Hydroxy‐oxazinediones and Subsequent Aerobic Oxidative Homocoupling of 2‐Naphthols Catalysed by Chiral Vanadyl Complexes (2023)
  • 著者名/発表者名: Chen Chien‐Tien、Hung Shiang‐Fu、Tsai Bang‐You、Chen Tsung‐Cheng、Lein Chien‐I、Tseng Pin‐Xuan、Chang Yu‐Chang、Chuang Chin‐Wei、Agarwal Rachit、Hsu Chan‐Wei、Shimizu Yuto、Fujii Ryoma、Mori Seiji
  • 雑誌名: Advanced Synthesis &amp; Catalysis 巻: 366 ページ: 248～261
  • DOI: 10.1002/adsc.202300901
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Importance of noncovalent interactions in homogeneous and enzymatic catalysis (2024)
  • 著者名/発表者名: Seiji Mori
  • 学会等名: PACCON 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evaluation of the effects of mutations in Cp*Rh(III) complex-linked artificial metalloenzyme NitrobindinHLH-Cp*Rh(III) by MD simulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhiro Bandai, Shunsuke Kato, Akira Onoda, Takashi Hayashi, Seiji Mori
  • 学会等名: The 5th conference of Theory and Applications of Computational Chemistry (TACC) Sapporo
  • 国際学会
• [学会発表] パラジウム触媒による[3+2]環化付加反応の反応経路及び配向基効果に関する理論的研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉元 理江、Attila Taborosi、Qiyuan He、阿野 勇介、茶谷 直人、森 聖治
  • 学会等名: 第25回理論化学討論会（横浜）
• [学会発表] MDシミュレーションを用いたCp*Rh(III)錯体連結型人工金属酵素NitrobindinHLH-Cp*Rh(III)における変異の影響の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 萬代 充裕、加藤 俊介、小野田 晃、林 高史、森 聖治
  • 学会等名: 錯体化学会第73回討論会
• [学会発表] モリブデン－ゲルミリン錯体による芳香族アルデヒドのヒドロホウ素化反応に関する理論的研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水雄仁、Christof Israel Marbella Fontanilla, 長田 浩一、橋本久子、森 聖治
  • 学会等名: 錯体化学会第73回討論会
• [学会発表] キラルリン酸-Au(I)複合錯体を用いた触媒的インドール縮環型七員環形成反応の不斉発現機構の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 谷口 直哉・植田 光洋・道上 健一・森 聖治・大橋 理人
  • 学会等名: 錯体化学会第73回討論会
• [学会発表] キラルリン酸-Au(I)複合錯体触媒を用いたエナンチオ選択的環化反応の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 谷口 直哉・植田 光洋・道上 健一・森 聖治・大橋 理人
  • 学会等名: 第49回反応と合成の進歩シンポジウム
• [学会発表] Computational Perspectives of Non-covalent Interactions in Transition Metal- and Enzyme-catalyzed Reactions (2023)
  • 著者名/発表者名: Seiji Mori
  • 学会等名: TCS-2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 物理有機化学研究室（森研究室）ホームページ
  • URL: http://smori.sci.ibaraki.ac.jp/