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2015 Fiscal Year Research-status Report

密度汎関数法に基づいた配座解析による有機分子触媒の合理的設計

Research Project

Project/Area Number 15K05431
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

蒲池 高志  九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (40403951)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords配座解析 / 有機分子触媒 / 遷移状態
Outline of Annual Research Achievements

有機分子触媒は金属元素を含まない炭素,酸素,窒素などの典型元素から構成された触媒である.有毒な重金属の残留の心配がなく,レアメタルの高騰,枯渇などの社会的問題に対応する元素戦略の観点からも理想的な触媒である.しかしながら,この触媒反応では水素結合やファンデルワールス力といった弱い相互作用で選択性が制御されており,その合理的な設計は困難である.我々は密度汎関数法(DFT)に基づく配座解析法を提案しており、複雑な有機分子触媒の反応機構の解明に有効であることを示した.この方法ではモンテカルロ法と分子力学法(MM, OPLS2005)による構造最適化から数千から数万の初期構造を生成し,これを半経験的分子軌道法(semiempirical, PM6-DH+)により数百にまで絞り込む.これらの構造すべてについて,計算コストが高くなるが精度の高い量子化学計算(DFT, B97-D)により構造最適化および遷移状態探索を行うことで,エナンチオ選択性の理解に重要な遷移状態の最安定構造を決定することができる.しかしこの方法では計算コストの高いDFT計算を多用することに加えて,MM計算の精度が低いために安定構造を見落としてしまうことが問題であった.DFT計算で決定された上位5配座は半経験的分子軌道法で得られた上位の低エネルギー配座に対応しているが,MM計算では11.5 kcal/molのエネルギーをもつ205番目の配座まで考慮する必要がある.そこで本研究では信頼性の高い半経験的分子軌道法を用いた配座解析プログラムConFinderを開発し,有機分子触媒の反応機構の解明が短時間で精度良く行えることを見出した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の計画では、有機分子触媒の反応機構解析のために、高精度な配座解析を高速に行うための手法開発を予定していた。当該年度において、信頼性の高い半経験的分子軌道法を用いた配座解析プログラムConFinderを開発し,有機分子触媒の反応機構の解明が短時間で精度良く行えることを見出した.このプログラムを用いることで、丸岡触媒、キラルリン酸、シンコナアルカロイドといった代表的な有機分子触媒について、過去に報告された構造を2,3日と短期間で精度よく再現するとともに、これまで見落とされていたより安定な配座を
発見することができた。これらの結果は有機分子触媒の高速なin silicoスクリーニングを期待させ、想定以上の成果と言える。

Strategy for Future Research Activity

これまでに信頼性の高い半経験的分子軌道法を用いた配座解析プログラムConFinderを開発した。今後は、未だ反応機構が知られていない有用な有機分子触媒について、このプログラムを用いた解析を行うとともに、実験グループとエナンチオ選択性の改善を目指した研究を行う。

  • Research Products

    (14 results)

All 2016 2015

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 9 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Synthesis and Structure of a Water-soluble μ-η1:η1-N2 Dinuclear RuII Complex with a Polyamine Ligand2016

    • Author(s)
      K. Yoshimoto, T. Yatabe, T. Matsumoto, A. Robertson, H. Nakai, H. Tanaka, T. Kamachi, Y. Shiota, K. Yoshizawa, K. Asazawa, H. Tanaka, Seiji Ogo
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 45 Pages: 149-151

    • DOI

      DOI: 10.1246/cl.151004

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Intraprotein transmethylation via a CH3–Co(III) species in myoglobin reconstituted with a cobalt corrinoid complex2016

    • Author(s)
      Y. Morita, K. Oohora, A. Sawada, K. Doitomi, J. Ohbayashi, T. Kamachi, K. Yoshizawa, Y. Hisaeda, T. Hayashi
    • Journal Title

      Dalton Transactions

      Volume: 45 Pages: 3277-3284

    • DOI

      DOI: 10.1039/c5dt04109k

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Crystal Structures and Coordination Behavior of Aqua- and Cyano-Co(III) Tetradehydrocorrins in the Heme Pocket of Myoglobin2016

    • Author(s)
      Y. Morita, K. Oohora, E. Mizohata, A. Sawada, T. Kamachi, K. Yoshizawa, T. Inoue, T. Hayashi
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 55 Pages: 1287-1295

    • DOI

      DOI: 10.1021/acs.inorgchem.5b02598

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Low-Mode Conformational Search Method with Semiempirical Quantum Mechanical Calculations: Application to Enantioselective Organocatalysis2016

    • Author(s)
      T. Kamachi, K. Yoshizawa
    • Journal Title

      Journal of Chemical Information and Modeling

      Volume: 56 Pages: 347-353

    • DOI

      DOI: 10.1021/acs.jcim.5b00671

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Possible Peroxo State of the Dicopper Site of Particulate Methane Monooxygenase from Combined Quantum Mechanics and Molecular Mechanics Calculations2016

    • Author(s)
      S. Itoyama, K. Doitomi, T. Kamachi, Y. Shiota, K. Yoshizawa
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 55 Pages: 2771-2775

    • DOI

      DOI: 10.1021/acs.inorgchem.5b02603

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Selective Carbon Dioxide Adsorption of ε-Keggin-type Zincomolybdate-based Purely-Inorganic 3D Frameworks2015

    • Author(s)
      Z. Zhang, M. Sadakane, S. Noro, T. Maruyama, T. Kamachi, K. Yoshizawa, and W. Ueda
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry A

      Volume: 3 Pages: 746-755

    • DOI

      DOI:10.1039/C4TA05496B

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Computational Exploration of the Mechanism of the Hydrogenation Step of the Anthraquinone Process for Hydrogen peroxide Production2015

    • Author(s)
      T. Kamachi, T. Ogata, E. Mori, K. Iura, N. Okuda, M. Nagata, K. Yoshizawa
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry C

      Volume: 119 Pages: 8748-8754

    • DOI

      DOI:10.1021/acs.jpcc.5b01325

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Formation and nitrile hydrogenation performance of Ru nanoparticles on a K-doped Al2O3 surface2015

    • Author(s)
      S. Muratsugu, S. Kityakarn, F. Wang, N. Ishiguro, T. Kamachi, K. Yoshizawa, O. Sekizawa, T. Uruga, M. Tada
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 17 Pages: 24791-24802

    • DOI

      DOI:10.1039/C5CP03456F

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Assembling an alkyl rotor to access abrupt and reversible crystalline deformation of a cobalt(II) complex2015

    • Author(s)
      S.-Q. Su, T. Kamachi, Z.-S. Yao, Y.-G. Huang, Y. Shiota, K. Yoshizawa, N. Azuma, Y. Miyazaki, M. Nakano, G. Maruta, S. Takeda, S. Kang, S. Kanegawa, O. Sato
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 6 Pages: 8810

    • DOI

      doi:10.1038/ncomms9810

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Low-Mode Conformational Search Method with Semiempirical Quantum Mechanical Calculations: Application to Enantioselective Organocatalysis2016

    • Author(s)
      Takashi Kamachi, Kazunari Yoshizawa
    • Organizer
      6th French-Japanese Workshop on Computational Methods in Chemistry
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      2016-03-01
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 半経験的分子軌道法に基づく配座解析プログラムの開発と有機分子触媒反応への応用2016

    • Author(s)
      蒲池高志、吉澤一成
    • Organizer
      日本化学会第96春季年会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      2016-03-01
  • [Presentation] Theoretical study on enantioselective alkylation by binaphthyl chiral phase-transfer catalysts: A DFT-based conformational analysis2015

    • Author(s)
      Takashi Kamachi, Kazunari Yoshizawa
    • Organizer
      Pacifichem 2015
    • Place of Presentation
      ハワイ
    • Year and Date
      2015-12-01
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 密度汎関数法による固体表面の触媒機能解析2015

    • Author(s)
      蒲池高志
    • Organizer
      触媒学会西日本支部 触媒技術セミナー(2)
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      2015-10-01
    • Invited
  • [Presentation] Enantioselective Alkylation by Binaphthyl Chiral Phase-Transfer Catalysis: A DFT-Based Conformational Analysis2015

    • Author(s)
      T. Kamachi, K. Yoshizawa
    • Organizer
      International Congress of Quantum Chemistry 15 th
    • Place of Presentation
      北京
    • Year and Date
      2015-06-01
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2017-01-06  

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