HOME 研究代表者・研究課題 平成26年度採択 前田理
反応経路自動探索法を基盤とする
化学反応の理論設計技術
本研究では「量子化学計算で未知の素反応過程を系統的に自動探索する」理論技術を開発します。これは量子化学における未解決問題の一つであり、反応機構を仮定して行う従来の理論解析の枠組みを打ち破るチャレンジングな課題と言えます。また、この技術は未知の化学反応をコンピュータで自動探索するという夢へ向かう糸口でもあり、解決によるインパクトがとりわけ大きなテーマと言えます。これを、代表者らが開発してきた反応経路自動探索法を基盤とし、多様な化学反応へと適用できるよう汎用化していくことで実現します。
- 反応機構を仮定して行う従来の理論解析の枠組みを打ち破る
- 未知の素反応過程を系統的に自動探索し、人間の想像が及ばない複雑な反応機構の理解を可能にする
- 実験に先立って反応性を予測する、化学反応の設計技術へ
- 現時点では気相反応や単純な有機反応がターゲットだが、本プロジェクトを通じて方法を高度に汎用化し、触媒反応、光機能分子設計、酵素反応、微粒子触媒、表面触媒、パッキング構造予測など、多様な化学反応へと応用可能にする（京コンピュータなども活用）
- 適用範囲内で、領域内の理論サポートを実施
- 前田 理
- 北海道大学
大学院理学研究院
教授 研究室HP
図1．速度論ナビゲーションにより得たWöhler反応の反応経路ネットワーク
図2．乳酸脱水素酵素反応プロファイル
図3．クラスターの反応性スクリーニング
これまでの研究成果（インパクト）
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反応経路自動探索の速度論ナビゲーションの導入
AFIR法による反応経路自動探索に、与えた実験条件（温度と反応時間）では進行しない経路を反応速度論に基づいて自動的に排除するアルゴリズム（速度論ナビゲーション）を実装した。速度論ナビゲーションは、目的に合わない無駄な経路を探索する手間を省き、計算効率を大幅に改善する。さらに、速度解析をしながら探索を進める技術であるため、AFIR法を単に様々な反応経路を見つけ出すだけのツールから、オン・ザ・フライの化学反応シミュレータへと発展させることができた。 -
酵素反応の反応経路探索技術の導入とその応用
タンパク構造の大規模変化を伴う酵素反応を扱う技術（MSM法）を開発し、乳酸脱水素酵素の反応機構解析へ適用した。その結果、実験で示唆されている大規模なタンパク構造変化がドライビングフォースとなって、低エネルギー障壁で反応が進行することが明らかになった。 -
クラスター触媒の金属スクリーニング
AFIR法を用いることで、一般に構造決定が難しい金属クラスター系の反応解析を実施した。さらに、構造探索から吸着構造の安定性と反応性の関係式を求め、合金クラスタースクリーニングへと展開した。
今後の進め方
- 反応経路自動探索による反応経路データベースへの展開
- タンパク質などの生体高分子への適用範囲の拡大
- アモルファス構造解析への展開
- 種々の有機反応、触媒反応、光反応へ応用し、機構解明に貢献する
- 種々の有機反応、触媒反応、光反応へ応用し、反応設計に貢献する
図1．AFIRウェブのホーム画面
https://afir.sci.hokudai.ac.jp
図2．Cu(111)表面上のH2O分子のグローバル反応経路地図
図3．指定した構造の崩壊経路を全探索し、寿命を計算する方法の概念図
これまでの研究成果（インパクト）
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人工力誘起反応法を搭載したプログラムの整備と配布に向けて
人工力誘起反応法を搭載したGRRM17プログラムを、アカデミックユーザ向けに無償配布する準備を行った。併せて、マニュアルやチュートリアルなどを掲載したウェブページを構築し、ユーザの利便性に配慮する取り組みを行った（図1）。また、機能の概要を解説した論文を執筆し、ユーザへの認知を促した。 -
金属表面反応の反応経路ネットワーク構築技術の開発
表面反応における反応経路探索では、速度論的に重要でない表面拡散の経路が膨大に得られるという問題があった。28年度までに開発した速度定数行列縮約法を人工力誘起反応法と組み合わせ、速度論的に重要な経路を選別し計算量を減らす手法を導入した。これにより、複雑な表面反応の反応経路地図をルーチン的に作成できるようになった（図2）。 -
分子寿命（分子の耐久性）の予測技術の開発
寿命がミリ秒以上の分子に対して、計算による寿命予測はこれまで不可能であった。そこで、人工力誘起反応法の探索領域を速度定数行列縮約法によって制限し、入力構造の崩壊に関与する経路のみを効率的に自動探索する手法を構築した（図3）。このような系統的な分子寿命計算法は、世界初の技術である。
今後の進め方
- 反応経路自動探索に基づく系統的な新反応予測手順を確立する
- アモルファス構造の解析への展開を検討する
- 連鎖反応の反応予測への展開を検討する
- 光触媒、金属表面触媒、酵素反応の反応機構解析へと応用する
- 種々の有機反応、触媒反応、光反応へ応用し、反応設計に貢献する
図1．多構造マイクロ反復法と人工力誘起反応法による反応経路探索
図2．炭素の二次元結晶構造（自動探索で得られた122個より4個を抜粋）
これまでの研究成果（インパクト）
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マルチスケール計算化学手法（QM/MM法）を用いた反応経路探索
構造サンプリングをあらかじめ行い、得られた複数の周囲構造を用いてマイクロ反復法を行う多構造マイクロ反復法を提案した（図1）。この手法は、従来の単一の周囲構造を用いるマイクロ反復法と計算コストが同程度であるにもかかわらず、周囲構造の大規模な変化を記述できる。（単一構造の）マイクロ反復法、QM/MM法、および、反応経路自動探索法を組み合わせた巨大系の反応経路自動探索は我々が世界に先駆けて開発した技術であるが、多構造マイクロ反復法を導入することにより適用範囲を大幅に拡大することができた。 -
Re（I）錯体の光誘起配位子置換反応の反応性起源の解明
27年度開発した無輻射失活経路自動探索技術を、東工大石谷らが以前報告したRe（I）錯体の光誘起配位子置換反応へと応用した。実験的に観測することが難しい無輻射失活経路を、「ポテンシャル交差点」の概念を導入し、反応障壁の高さと交差点の位置関係を探ることで、簡便かつ包括的に議論することができた。 -
任意の次元の周期構造の自動探索技術
27年度開発した結晶構造自動探索技術を拡張し、二次元周期構造や一次元周期構造の自動探索を可能にした（図2）。
今後の進め方
- 反応経路自動探索に基づく系統的な新反応予測手順を確立する
- 光触媒や酵素反応の反応機構へと応用する
- 様々な化学組成について結晶構造予測を実施する
- 周期系の経路探索技術を拡張し、不均一触媒反応へと展開する
- 種々の有機反応、触媒反応、光反応へ応用し、反応設計に貢献する
図1 無輻射失活経路自動探索技による金属錯体の反応性解析。ポテンシャル交差点（×印）の高さが反応性を支配。
図2 速度定数行列縮約法の概念図。速度定数行列を繰り返し縮約し、コンフォメーションエントロピー等を考慮したオーバーオールでの反応速度定数を算出。
これまでの研究成果（インパクト）
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遷移金属錯体の光化学への展開
有機分子の光反応へと応用してきた光反応の無輻射失活経路自動探索技術を、遷移金属錯体に適用できるよう拡張した。開発した技術をRe(I)ハロゲン錯体へと応用し、光励起後の緩和経路を明らかにした。さらに、Re(I)ホスフィン錯体において知られている光誘起配位子置換反応について反応機構を明らかにすると共に、ハロゲン錯体とホスフィン錯体においてその反応性が異なる理由を解明した（図1）。 -
反応経路網の速度解析と速度論を考慮した反応経路探索
反応経路自動探索法によって得られる複雑反応経路網に対して適用できる速度解析法（速度定数行列縮約法）を開発した（図2）。さらに、同手法を反応経路自動探索法と組み合わせることで、反応速度式を解きながら、反応が実際に進む方向へと反応経路網を拡張する技術を開発した。これにより、複雑反応経路網の探索効率が劇的に向上した。 -
結晶構造探索への展開
反応経路自動探索法を周期系の経路探索が行えるよう拡張し、炭素の新同素体を膨大に予測することに成功した。
今後の進め方
- 光触媒の反応機構にアプローチする
- 様々な化学組成について結晶構造予測を実施する
- 周期系の経路探索技術を拡張し、不均一触媒反応へと展開する
- 量子古典混合法とのインターフェイスを拡張し、酵素反応などの生化学反応への適用性を向上させる
- 種々の有機反応、触媒反応、光反応へ応用し、反応設計に貢献する
これまでの研究成果（インパクト）
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光化学反応の無輻射失活経路の自動探索技術を確立
光によって電子励起された分子は、光（蛍光や燐光）の放出を伴う輻射失活、または、光の放出を伴わない無輻射失活によって電子基底状態へと戻る。その挙動を調べ、光反応の機構を予測するには、光励起直後の分子構造（右図FC）から到達しうるポテンシャル交差点（右図MECI）を全て求め、無輻射失活経路を特定しなければならない。今年度、人工力誘起反応(AFIR)法を用いてMECI構造を自動探索し、分子の無輻射失活経路を特定する技術（右図）を確立した。本技術は、蛍光分子や可視光増感剤など、光機能性分子の設計へと応用される。 -
芳香族炭化水素の蛍光量子収率の分子サイズ依存性の原因解明
上記技術を用い、種々の芳香族炭化水素分子の無輻射失活経路を特定した。これらの分子では、分子サイズが大きくなるに従って蛍光量子収率が向上することが知られている。最安定なMECIを通る無輻射失活経路を特定し、失活効率を比較することで、蛍光量子収率の違いを説明できた。同様の手順で様々な分子の蛍光量子収率を議論することで、蛍光量子収率の高い分子の設計指針の検討を進めている。
今後の進め方
- 人工力誘起反応法を、周期境界条件を考慮できるよう拡張し、表面反応や結晶構造予測へと応用できるよう汎用化する
- 量子古典混合法とのインターフェイスを拡張し、酵素反応などの生化学反応への適用性を向上させる
- 種々の有機反応、触媒反応、光反応へ応用し、反応設計に貢献する
