分子を微分!? 数学の力で新触媒創出～新たな触媒開発指針を提案～
【ポイント】
- 量子化学計算と微分計算をもとに、新たな触媒設計指針を確立。
- 有機リン配位子のコンピュータ上での高速な最適化を実現。
- 量子化学計算を駆使した新たな反応開発プロセスへの発展に期待。
【概要】
北海道大学創成研究機構化学反応創成研究拠点（WPI-ICReDD）、同大学大学院理学研究院の松岡和助教、前田理教授、WPI-ICReDDの大城泰平特任准教授、WPI-ICReDD及び東京大学大学院情報理工学系研究科の岩田覚教授、英国ブリストル大学のフェイ・ナタリー准教授らの研究グループは、遷移金属触媒反応の開発において最も重要な過程の一つである配位子設計を、量子化学計算によって加速させる「バーチャル配位子アシスト最適化法」を開発しました。
遷移金属触媒反応とは、反応の中心となる「遷移金属」と遷移金属の反応性を調整する「配位子」からなる遷移金属錯体を触媒として用いる有機合成において非常に重要な反応です。配位子は、その化学構造に応じて異なる反応性を示します。そのため、遷移金属触媒反応の開発には、目的の反応に最も適した配位子を設計することが極めて重要です。従来、この過程は多数の実験データをもとに回帰的な手法を用いて行われてきましたが、十分な実験データを確保するまでに多大な時間とコストを要するという課題がありました。
本研究では、目的の反応に最も適した配位子の特徴を量子化学計算と微分計算をもとに算出する「バーチャル配位子アシスト最適化（VLAO）法」の開発に成功しました。本手法では、量子化学計算において実際の配位子をモデル化したバーチャル配位子を用います。このバーチャル配位子の性質が反応性に与える影響を微分計算により見積もることで、自動的にバーチャル配位子の性質を最適化することができます。最終的に得られた最適バーチャル配位子は、目的の反応を最も効率よく進行させる配位子の特徴を有しているため、実際の配位子を設計する重要な手がかりとなります。このバーチャル配位子アシスト最適化法は、実験を行うことなくコンピュータ上で最適配位子の予測を可能にするため、従来の触媒設計法において問題であった、開発時間やコストに関する様々な問題を解決し、新しい遷移金属触媒反応開発プロセスへと発展することが期待されます。
なお、本研究成果は、日本時間2024年10月21日（月）公開のACS Catalysisに掲載されました。
論文名：Virtual Ligand-Assisted Optimization: A Rational Strategy for Ligand Engineering（バーチャル配位子アシスト最適化法：配位子設計のための合理的戦略）
URL：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c06003
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