(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
式ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。但し、ｍはｎ＋１以下である。）で表される糖化合物から式ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。但し、ｘは２ｎ＋２以下、ｙはｎ+１以下である。）で表される目的化合物への反応経路を検索する方法であって、
（１）出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍ及び目的化合物ＣｎＨｘＯｙの分子構造であって、出発化合物及び目的化合物を構成する各炭素原子についてカルボニル基又は水酸基の結合した炭素原子が小さい番号となるように番号を割り振り、ここで当該出発化合物及び当該目的化合物が環状化合物である場合には環化前の直鎖化合物を構成する各炭素原子についてカルボニル基又は水酸基の結合した炭素原子が小さい番号となるように番号を割り振り、
出発化合物及び目的化合物を構成する各炭素原子ごとにカルボニル基、水酸基、水素原子、炭素間二重結合、複素環及び炭素環の結合の数を数字の配列とし、且つ、炭素間二重結合、複素環及び炭素環に含まれる炭素原子間の結合を、当該結合を構成する炭素原子に割り振られた番号の配列とする配列表により分子構造を確定する工程と；
（２）上記配列表で表された出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍに脱水、水和、酸化及び還元からなる群より選択される反応操作を施して、脱水化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ−１）、水和化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ＋１）、酸化化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ＋１）又は還元化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ−１）とその互変異性体及び環化化合物とからなる単一の分子式を有する化合物群を上記配列表として導出し、該化合物群の分子式と目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙとを上記配列表を用いて比較して、該化合物群の分子式が目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致しない場合には、該化合物群について目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致するまで前記操作を繰り返すことにより、分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａを導出するとともに、出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍから化合物群Ａの各化合物に至るまでの各反応経路を記録する工程と；
（３）分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａの中から目的化合物の分子構造と一致する化合物ａを選択し、前記各反応経路のうち出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍと化合物ａとを結ぶ経路を抽出する工程；
とを含む反応経路の検索方法。
【請求項２】
式ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。但し、ｍはｎ＋１以下である。）で表される糖化合物から式ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。但し、ｘは２ｎ＋２以下、ｙはｎ+１以下である。）で表される目的化合物への反応経路を検索するために、コンピュータに、
（１）出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍ及び目的化合物ＣｎＨｘＯｙの分子構造であって、出発化合物及び目的化合物を構成する各炭素原子についてカルボニル基又は水酸基の結合した炭素原子が小さい番号となるように番号を割り振り、ここで当該出発化合物及び当該目的化合物が環状化合物である場合には環化前の直鎖化合物を構成する各炭素原子についてカルボニル基又は水酸基の結合した炭素原子が小さい番号となるように番号を割り振り、
出発化合物及び目的化合物を構成する各炭素原子ごとにカルボニル基、水酸基、水素原子、炭素間二重結合、複素環及び炭素環の結合の数を数字の配列とし、且つ、炭素間二重結合、複素環及び炭素環に含まれる炭素原子間の結合を、当該結合を構成する炭素原子に割り振られた番号の配列とする配列表により分子構造を入力する手順；
（２）上記配列表で表された出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍに脱水、水和、酸化及び還元からなる群より選択される反応操作を施して、脱水化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ−１）、水和化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ＋１）、酸化化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ＋１）又は還元化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ−１）とその互変異性体及び環化化合物とからなる単一の分子式を有する化合物群を上記配列表として導出し、該化合物群の分子式と目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙとを上記配列表を用いて比較して、該化合物群の分子式が目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致しない場合には、該化合物群について目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致するまで前記操作を繰り返すことにより、分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａを導出するとともに、出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍから化合物群Ａの各化合物に至るまでの各反応経路を記録する手順；
（３）分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａの中から目的化合物の分子構造と一致する化合物ａを選択し、前記各反応経路のうち出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍと化合物ａとを結ぶ経路を抽出する手順；
とを実行させるための反応経路の探索プログラム。
【請求項３】
式ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。但し、ｍはｎ＋１以下である。）で表される糖化合物から式ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。但し、ｘは２ｎ＋２以下、ｙはｎ+１以下である。）で表される目的化合物への反応経路を検索する装置であって、
（１）出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍ及び目的化合物ＣｎＨｘＯｙの分子構造であって、出発化合物及び目的化合物を構成する各炭素原子についてカルボニル基又は水酸基の結合した炭素原子が小さい番号となるように番号を割り振り、ここで当該出発化合物及び当該目的化合物が環状化合物である場合には環化前の直鎖化合物を構成する各炭素原子についてカルボニル基又は水酸基の結合した炭素原子が小さい番号となるように番号を割り振り、
出発化合物及び目的化合物を構成する各炭素原子ごとにカルボニル基、水酸基、水素原子、炭素間二重結合、複素環及び炭素環の結合の数を数字の配列とし、且つ、炭素間二重結合、複素環及び炭素環に含まれる炭素原子間の結合を、当該結合を構成する炭素原子に割り振られた番号の配列とする配列表により分子構造を入力する手段；
（２）上記配列表で表された出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍに脱水、水和、酸化及び還元からなる群より選択される反応操作を施して、脱水化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ−１）、水和化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ＋１）、酸化化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ＋１）又は還元化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ−１）とその互変異性体及び環化化合物とからなる単一の分子式を有する化合物群を上記配列表として導出し、該化合物群の分子式と目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙとを上記配列表を用いて比較して、該化合物群の分子式が目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致しない場合には、該化合物群について目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致するまで前記操作を繰り返すことにより、分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａを導出するとともに、出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍから化合物群Ａの各化合物に至るまでの各反応経路を記録する手段；
（３）分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａの中から目的化合物の分子構造と一致する化合物ａを選択し、前記各反応経路のうち出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍと化合物ａとを結ぶ経路を抽出する手段；
とを備えた反応経路の探索装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＣ、Ｈ及びＯを構成元素とする化合物を出発物質とし、その出発物質から同一炭素原子数を有する目的化合物に至るまでの可能な反応経路を探索する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然界には多種多様な糖類が存在し、動植物における生合成や代謝にかかせない重要な化合物である。
【０００３】
今日では糖類について様々な研究が行われており、例えば、糖類を出発物質として利用して有用な化合物を合成する方法などが報告されている。糖類から有用な化合物を合成する場合、公知の化学反応や経験則に基づいて複数の合成経路を検討し、そのなかから適切な合成経路を選択するのが一般的である。しかしながら、目的化合物によっては、多段階の反応工程が必要とされる場合や、さらには複数の合成経路が考えられる場合があり、このような場合には検討すべき反応経路の全てを列挙することは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、出発化合物から目的化合物への可能な反応経路を短時間に且つ効率的に探索する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍに脱水、水和、酸化及び還元からなる群より選択される反応操作を少なくとも１回施して目的化合物と同じ分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物の一群（互変異性体及び環化化合物を含む）を導出し、その分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物の一群から目的化合物と同じ分子構造を有する化合物ａを選択して、出発化合物から前記化合物ａまでに要した脱水、水和、酸化（例えば脱水素化）、還元（例えば水素化）、互変異性化及び／又は環化工程から構成される反応経路を抽出することにより前記課題を解決できることを見出した。
【０００６】
即ち、本発明は以下の発明を包含する。
（ｉ）
式ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。但し、ｍはｎ＋１以下である。）で表される化合物から式ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。但し、ｘは２ｎ＋２以下、ｙはｎ+１以下である。）で表される目的化合物への反応経路を検索する方法であって、
（１）出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍ及び目的化合物ＣｎＨｘＯｙの分子構造を確定する工程と；
（２）出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍに脱水、水和、酸化及び還元からなる群より選択される反応操作を施して、脱水化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ−１）、水和化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ＋１）、酸化化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ＋１）又は還元化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ−１）とその互変異性体及び環化化合物とからなる単一の分子式を有する化合物群を導出し、該化合物群の分子式が目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致しない場合には、該化合物群について目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致するまで前記操作を繰り返すことにより、分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａを導出するとともに、出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍから化合物群Ａの各化合物に至るまでの各反応経路を記録する工程と；
（３）分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａの中から目的化合物の分子構造と一致する化合物ａを選択し、前記各反応経路のうち出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍと化合物ａとを結ぶ経路を抽出する工程；
とを含む反応経路の検索方法。
【０００７】
（ｉｉ）
式ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。但し、ｍはｎ＋１以下である。）で表される化合物から式ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。但し、ｘは２ｎ＋２以下、ｙはｎ+１以下である。）で表される目的化合物への反応経路を検索するために、コンピュータに、
（１）出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍ及び目的化合物ＣｎＨｘＯｙの分子構造を入力する手順；
（２）出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍに脱水、水和、酸化及び還元からなる群より選択される反応操作を施して、脱水化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ−１）、水和化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ＋１）、酸化化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ＋１）又は還元化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ−１）とその互変異性体及び環化化合物とからなる単一の分子式を有する化合物群を導出し、該化合物群の分子式が目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致しない場合には、該化合物群について目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致するまで前記操作を繰り返すことにより、分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａを導出するとともに、出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍから化合物群Ａの各化合物に至るまでの各反応経路を記録する手順；
（３）分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａの中から目的化合物の分子構造と一致する化合物ａを選択し、前記各反応経路のうち出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍと化合物ａとを結ぶ経路を抽出する手順；
とを実行させるための反応経路の探索プログラム。
【０００８】
（ｉｉｉ）
式ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。但し、ｍはｎ＋１以下である。）で表される化合物から式ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。但し、ｘは２ｎ＋２以下、ｙはｎ+１以下である。）で表される目的化合物への反応経路を検索する装置であって、
（１）出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍ及び目的化合物ＣｎＨｘＯｙの分子構造を入力する手段；
（２）出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍに脱水、水和、酸化及び還元からなる群より選択される反応操作を施して、脱水化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ−１）、水和化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ＋１）、酸化化合物（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ＋１）又は還元化合物（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ−１）とその互変異性体及び環化化合物とからなる単一の分子式を有する化合物群を導出し、該化合物群の分子式が目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致しない場合には、該化合物群について目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙと一致するまで前記操作を繰り返すことにより、分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａを導出するとともに、出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍから化合物群Ａの各化合物に至るまでの各反応経路を記録する手段；
（３）分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａの中から目的化合物の分子構造と一致する化合物ａを選択し、前記各反応経路のうち出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍと化合物ａとを結ぶ経路を抽出する手段；
とを備えた反応経路の探索装置。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、糖化合物を出発物質とし、それと同一炭素数の化合物までの反応経路を短時間に効率よく探索することができる方法が提供される。これまで、Ｃ、Ｈ及び／又はＯを構成元素とする化合物を糖化合物から合成する際に、その合成経路・反応経路、特に多段階工程を含む複雑な反応経路の抽出には多くの専門知識や経験が必要であったが、本発明によれば理論的に可能な反応経路の全てを漏れなく列挙することが可能となり、適切な合成経路・反応経路の選択を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明は、出発化合物、特には糖類ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。但し、ｍはｎ＋１以下である。）から、それと同一炭素原子数を有しＣ、Ｈ及び／又はＯを構成元素とする目的化合物ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。但し、ｘは２ｎ＋２以下、ｙはｎ+１以下である。）までの反応経路を探索するものである。
【００１１】
Ｃ、Ｈ及び／又はＯを構成元素とする化合物は、同一炭素数の糖化合物又はその水和物等を出発原料として脱水、水和、酸化（例えば脱水素化）、還元（例えば水素化）の組み合わせによる変換と個々の変換過程後に派生する互変異性化・環化反応によって誘導される。この分子式と構造の変化を計算機（コンピュータ）等を用いて実現し、目的化合物と出発化合物（例えば、単糖）との間の少なくとも1つ以上の反応経路を自動的に検索する。
【００１２】
本発明で対象とする出発化合物は、式ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。但し、ｍはｎ＋１以下である。）で表される化合物又はその水和物である。より好ましくは、ｎ--＝２〜９でｍ＝ｎである単糖又はその水和物が用いられる。また、本発明で対象とする目的化合物は、出発化合物と同一炭素原子数を有する式ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。但し、ｘは２ｎ＋２以下、ｙはｎ+１以下である。）で表される化合物である。
【００１３】
以下では、特にコンピュータ等の計算機を用いて本発明の方法を実施する例について説明するが本発明はこれに限定されるものではない。
【００１４】
本発明の方法では、まず式ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍは上記定義のとおりである。）で表される出発化合物と式ＣｎＨｘＯｙ（ｎ、ｘ及びｙは上記定義のとおりである。）で表される目的化合物との分子構造をコンピュータに入力する。
【００１５】
本発明の方法をコンピュータ等の計算機により行う場合には、コンピュータに入力してコンピュータが処理可能なように目的化合物の分子構造を一定の規則に基づいて表現する。分子構造の表現方法としては、コンピュータが処理可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えば以下のような規則に基づいた配列表を用いることができる。
【００１６】
化合物の分子構造の表現方法
炭素原子の番号は、端から割り当てられる。左又は右端からの２通りが考えられるが、カルボニル基が結合した炭素原子の番号が小さくなるものを採用している。分子内にカルボニル基が存在しない場合は、代わりに水酸基を用いて決定する。環状化合物については、環化前の前駆体（直鎖化合物）の番号をそのまま維持するものとする。
【００１７】
各炭素原子ごとにカルボニル基、水酸基、水素原子や２重結合、複素環、炭素環の結合の数を数字の配列として表現する。数字の値が各結合の数を示しており、結合がなければ値は零とする。
【００１８】
また、２重結合、複素環、炭素環の炭素原子間の結合については、結合する炭素間の番号を別な配列として記録する。なお、結合の種類も数字データとする。これと炭素の番号を１０進数の各桁の数字として値が大きな順にソートする。
【００１９】
【表１】
0004623958.tif 000002
【００２０】
各炭素原子ごとの結合については、価数である４つの結合を基準にして結合の種類を表現する方法も考えられる。この方法は、幾何異性体・光学異性体を対象とする場合には有効である。しかし、表１における６番めの炭素原子から２つ結合した水素分子のうち１つを引き抜く操作を考えれば明らかなように、個々の炭素原子の４つの結合を順番付けて取り扱うことは処理を複雑化させる要因となる。
【００２１】
ある化合物が脱水、水和、酸化及び／又は還元した場合や互変異性化・環化等の分子構造の変化は上述の配列表を用いることにより容易に表現できる。即ち、分子構造の変化は以下のように配列表の各数値データを変更することにより表現できる。以下の表２は、C4H8O4の単糖が脱水操作によってC4H6O3の化合物に構造が変化した例である。３番めの炭素原子の水素原子(-H) と４番めの炭素原子の水酸基(-OH) を脱離させ、２重結合(=)を生成させる操作が配列表の数字の処理によって簡単に行なえることが示されている。
【００２２】
【表２】
0004623958.tif 000003
【００２３】
互変異性化の場合の分子構造の変化についても上記と同様である。表３は、表２にて生成した化合物C4H6O3がケト-エノール互変異性化によって同じ分子式の化合物に構造が変化した例である。
【００２４】
【表３】
0004623958.tif 000004
【００２５】
上述のような配列表を用いることにより、各化合物の分子構造やその構造の変化をコンピュータで処理することが可能となる。
【００２６】
反応経路の探索・展開手順
次に、本発明の方法において出発化合物から目的化合物に至るまでの反応経路の探索・展開手順について具体的に説明する。
【００２７】
出発化合物から目的化合物の分子式に一致するまで、コンピュータが化合物に脱水、水和、酸化及び／又は還元操作を行なって分子式を変化させる。この脱水、水和、酸化及び還元操作による分子式の変化は、例えばC3化合物の場合では以下の表４のようなダイヤグラムで表すことができる。このダイヤグラムでは横軸が酸化レベルを表し、縦軸が構成炭素原子１個あたりの平均結合エンタルピーを表す。
【００２８】
【表４】
0004623958.tif 000005
【００２９】
このダイアグラムは、C、H、O を構成元素とする化合物の分子式をプロットしたものであり、頂点、底部、左端、右端の点は、それぞれ糖水和物、炭素、飽和炭化水素、最も酸化された炭化物(most oxidized compound) を表す。なお、単糖(C3H6O3) は、表４中の黒点の位置に存在する。
【００３０】
分子式の変化を伴う脱水、水和は、表４中ではそれぞれ１段下へ下降、１段上へ上昇する操作となる。酸素原子の付加、脱水素化による酸化は、それぞれ右上に上昇、右下に下降する操作（右に１段進む操作）となる。水素化、酸素原子の脱離による還元は、それぞれ左上に上昇、左下に下降する操作（左に１段進む操作）となる。
【００３１】
上述の脱水、水和、酸化及び還元操作により、出発化合物ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。）の分子式はそれぞれ以下のように変化する：
脱水：H2Oの減少（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ−１）
水和：H2Oの増加（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ＋１）
酸化：H2の減少又は1/2O2の増加（ＣｎＨ２ｍ−２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ＋１）
還元：H2の増加又は1/2O2の減少（ＣｎＨ２ｍ＋２Ｏｍ又はＣｎＨ２ｍＯｍ−１）
【００３２】
次いで、各操作後に得られたそれぞれの化合物について分子式を変化させない互変異性化を行なう。目的化合物が環状化合物の場合、個々の操作後に得られた各化合物とその互変異性化後の化合物との両方に分子式を変化させない環化操作を行なう。
【００３３】
上述の手順により、出発化合物に脱水、水和、酸化又は還元操作して得られる化合物とそれらの互変異性体及び環化化合物とからなる化合物群が導出される。次いで、このようにして導出された脱水化合物、水和化合物、酸化化合物及び還元化合物並びにそれらの互変異性体及び環化化合物からなる化合物群の各化合物の分子式と目的化合物の分子式ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。）とを比較する。前記化合物群のうち目的化合物の分子式と一致しない化合物があれば、その化合物についてさらに脱水、水和、酸化又は還元操作して脱水化合物、水和化合物、酸化化合物及び還元化合物並びにそれらの互変異性体及び環化化合物からなる化合物群を導出し、目的化合物の分子式と一致するまでこの手順を繰り返す。なお、目的化合物がカルボン酸の場合はケテンを経由するものとする。前記化合物群の中からケテンを抽出し、ケテンを水和したカルボン酸化合物から出発して目的化合物に到達するまで上記と同様にして脱水、水和、酸化又は還元操作を繰り返すものとする。
【００３４】
このようにして、目的化合物と同一の分子式ＣｎＨ２ｍＯｍを有する化合物群Ａと、出発化合物からその化合物群Ａに属する各化合物に至るまでの反応経路が導かれる。なお、出発化合物から目的化合物に至るまでの反応工程数があまりにも多いなど現実的でない反応経路や、目的化合物に辿り着けないような反応経路は、予めその許容される反応工程数の上限を設定するなどして排除してもよい。あるいは、出発化合物の分子式と目的化合物の分子式とを比較し、必要な脱水、水和、酸化及び／又は還元の回数を予め設定しておいてその設定範囲内で反応経路を探索してもよい。
【００３５】
上述の手順により目的化合物と同一の分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物の一群Ａと、出発化合物から前記化合物群Ａに属する各化合物に至るまでの少なくとも１つ以上の反応経路が抽出されるので、コンピュータにそれらの反応経路を記録しておく。
【００３６】
次いで、このようにして導かれた分子式ＣｎＨｘＯｙを有する化合物群Ａの各化合物について、コンピュータがその分子構造を目的化合物の分子構造と比較し、化合物群Ａの各化合物の中から目的化合物の分子構造と一致する化合物ａを選択する。分子構造の比較はコンピュータが先に述べた配列表を用いて判断することにより実施することができる。
上記反応経路の展開手順について以下の表５に例示する：
【００３７】
【表５】
0004623958.tif 000006
【００３８】
表５に示されるように、単糖[1]（又は単糖の水和物）から水和、脱水、酸化、還元の中の１つのコンピュータ処理によって分子式が異なる化合物の集合[2]が生成する。この集合[2]に互変異性化を行ない、分子式が[2]と同じでその互変異性体である化合物の集合[3]を生成する。さらに、集合[3]の互変異性化として集合[4]、集合[4]の互変異性化として集合[5]を生成する。環状化合物が必要ならば、集合[2]〜[5]までの化合物群の集合を環化し、集合[6]を生成する。すなわち、同じ分子式を持つ[2]〜[6]までの化合物群を得る。さらに、分子式を変化させる必要があるならば、[2]〜[6]の化合物群の各化合物に再度水和、脱水、酸化及び／又は還元のコンピュータ処理を行ない、[2]〜[6]の集合とは分子式が異なる化合物の集合[7]を得る。集合[7]に対しても、同様に互変異性化・環化を行なう。
【００３９】
以上のようにして、目的化合物の分子式に一致するまで、水和、脱水、酸化及び／又は還元のいずれかを行なうことによって生成した化合物、その互変異性体並びに環化させた環状化合物をひとまとめとしたもの（同じ分子式の集合体）を作成する操作（即ち、表４のダイアグラム内での点の移動）を繰り返す。
【００４０】
表５の反応経路の展開例を模式的に表すと以下の表６のようになる。表６に示すように、出発化合物から水和、脱水、酸化及び／又は還元化合物（互変異性体及び環化化合物を含む）が生成し、それらの各生成化合物からさらに水和、脱水、酸化及び／又は還元化合物が生成するというように反応経路が樹状に展開していく。即ち、本発明の方法は、主として単糖に関連した化学反応（脱水、水和、酸化及び／又は還元）を利用して、出発化合物から総当たり方式によって生成可能な化合物を導出し、これを目的化合物に到達するまで繰り返し、目的化合物に到達する反応経路をできるかぎり多く示すことが最大の特徴である。
【００４１】
【表６】
0004623958.tif 000007
【００４２】
なお、本発明の方法では、水和、脱水、酸化又は還元の各操作をコンピュータにより機械的に処理した後に様々な化合物が導出されるが、それらの化合物の中には化学常識から判断して不合理な構造を有するものや、重複するもの等が存在する場合があるので、コンピュータが不合理な構造や重複化合物が存在するか否かをチェックしてそれらを排除するように処理するのが好ましい。コンピュータによる不合理な構造や重複化合物のチェックは以下のようにして行われる。
【００４３】
不合理な構造のチェック
脱水や互変異性化等の操作によって生成した化合物は、分子式や価数のチェックを受け、化学常識から判断して不合理な構造を持つものは排除される。
1. 分子内水素数、複素環、２重結合、炭素環のチェック
各炭素原子の結合を表す配列表から、水素の数および複素環、２重結合、炭素環の結合数をカウントする。
(a) 水素の数の総和が化合物の分子式の数と合っていない。
(b) 各結合の数の総和が偶数ではない。
(c) 炭素原子セグメントの２重結合の数字が01110となっている。
(d) 炭素原子セグメントの炭素環の数字が11となっている。
(e) 炭素原子セグメントの２重結合の数字が010 となっている。
(f) 端の炭素原子の２重結合の数字が1 でその内側の値が0となっている。
上記配列表において以上の１つでも該当すれば、不合理な構造として該当化合物を排除する。
【００４４】
2. 炭素原子ごとの結合数および不安定構造のチェック
各炭素原子の結合を表す配列表から、炭素原子ごとの結合の数をカウントする。また、以下の構造があるかをチェックする。
(a) 炭素原子番号1、2の２重結合の数字が2で、炭素原子番号1、3間に複素環または炭素環がある。
(b) 炭素原子番号inc-1、incの２重結合の数字が2で、炭素原子番号inc-2、inc間に複素環または炭素環がある。ここで、「inc」は炭素数を表す。従って、表１に示すように、ある化合物を幾何学的に直鎖状に展開して左端の炭素原子番号を１とすると、炭素原子番号incは右端の炭素原子に対応し、炭素原子番号inc-1は右端から２番目の炭素原子に対応する。
(c) 炭素原子番号1、2の２重結合の数字が1で、炭素原子番号1、3間に複素環および炭素環がある。
(d) 炭素原子番号inc-1、incの２重結合の数字が2で、炭素原子番号inc-2、inc間に複素環および炭素環がある。
(e) 炭素原子番号1、2の２重結合の数字が1で、炭素原子番号1、3間に複素環が2つある。
(f) 炭素原子番号inc-1、incの２重結合の数字が2で、炭素原子番号inc-2、inc間に複素環が2つある。
(g) 炭素原子セグメントの２重結合の数字が121で、炭素環または複素環の数字が0x0となっている。ここで、xは任意の数を表す。
(h) 端の炭素原子の複素環の数字が2 で、さらに水酸基の数字が1 となっている。
上記配列表において以上の１つでも該当するか、各原子の価数が合わないならば、不合理な構造として排除する。
【００４５】
同じ構造のチェック
ある化合物に脱水等の操作を行なう場合、同じ構造のものが複数個生成される場合がある。これは反応経路が重複することであり、防止する必要がある。そこで、同じ構造もしくは左右反転の構造であるかどうかをチェックする。  
【００４６】
各炭素原子ごとの結合を表す配列、炭素原子間の結合を表す配列を用いて数字パターンのマッチングを行ない、さらに一つ前の化合物が一致するかチェックする。
【００４７】
左右反転構造、同一の構造として分子構造が一致するものがある場合には、重複ルートの探索を防止するために排除する。
【００４８】
反応経路の記録
反応経路を展開していくと、全反応経路は上記表６のような樹形図で表すことができるが、それらの全反応経路をコンピュータに記録・保存する場合には例えば以下の表７のようなテーブルに変換するとコンピュータで容易に処理できる。
【００４９】
【表７】
0004623958.tif 000008
【００５０】
表７中の各行は集合の番号、各列は集合内の番号を表す。テーブルの各要素には、その要素を得る直前の集合番号と集合内の番号を記録する。例えば、表７中の[2]-１の要素（左上端）は要素[1]-1から派生していることを、即ち、化合物[2]-１が化合物[1]-1から生成したことを表している。このテーブルを用いれば、出発化合物から目的化合物までの反応経路をコンピュータ処理可能なように記録することができる。
【００５１】
反応経路の表示
全反応経路は生成した化合物から出発化合物に向かって反応経路を記録するためのテーブル（表７参照）を遡る操作を繰り返すことにより表示することができる。
【００５２】
その全反応経路のうち出発化合物から目的化合物への反応経路の表示は、まず、全反応経路のうち、その反応経路中に目的化合物と同じ分子式を有する化合物（本明細書において、反応経路中に現れる目的化合物と同じ分子式を有する化合物の集合を「化合物群Ａ」とも言う）が現れる反応経路をコンピュータが抽出・選択する。次いで、その化合物群Ａに属する個々の化合物について、その分子構造が目的化合物のそれと同一か否かを判断する。この判断は、例えば、先に述べた分子構造を表現するための配列表を用いて、コンピュータが両化合物の各炭素原子ごとの結合を表す配列及び炭素原子間の結合を表す配列の数字パターンを比較することにより処理できる。そして、化合物群Ａのうち分子構造が目的化合物のそれと一致する化合物（本明細書において、「化合物ａ」とも言う）があればその化合物ａを選択し、その化合物ａ（目的化合物）と出発化合物とを結ぶ反応経路を全反応経路の中から抽出して表示する。目的化合物と出発化合物とを結ぶ反応経路が複数ある場合には、それらの反応経路をすべて表示することも可能である。なお、最初に反応工程数の上限を設定しておけば、コンピュータが反応工程の短いものだけを選択して表示することもできる。
【００５３】
以上のようにして、式ＣｎＨ２ｍＯｍ（ｎ及びｍはそれぞれ自然数である。）で表される化合物から式ＣｎＨｘＯｙ（ｎは上記定義のとおりであり、ｘ及びｙはそれぞれ０以上の整数である。）で表される目的化合物への理論的に可能な反応経路を探索することが可能となる。
【００５４】
上記の全手順をコンピュータが実行可能なようにプログラムとし、該プログラムや入力及び出力手段等を備えたコンピュータ又は装置を用いて反応経路の探索を行うことが可能である。従来は人間による手作業では出発化合物から目的化合物までの反応経路を探索することはかなりの労力・時間を要し、特に複雑な化合物の場合では実際的に不可能なこともあったが、コンピュータを用いれば理論的に可能な全反応経路を短時間で効率的に漏れなく探索することが可能となる。
【実施例】
【００５５】
以下に本発明をより具体的に説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。
プログラムにおける各処理操作の実現
各手順を、目的化合物の分子構造の入力、出発化合物（例えば、単糖又は単糖の水和物）の水和、脱水、酸化（脱水素化）、還元（水素化）、互変異性化・環化等の操作、ダイアグラム（例えば表４）に基づく反応経路の表示、目的化合物への反応経路の表示、ケテン処理等をそれぞれプログラム中のサブルーチンとしてモジュール化した。
【００５６】
本実施例では出発化合物から目的化合物までの反応経路の展開は、主に脱水操作を行なった後に酸化又は還元操作を行なう仕様とした。
【００５７】
目的化合物の入力
本実施例では以下の表８に示す化合物を用いた。目的化合物の炭素原子数を決定し、各炭素原子ごとの結合を表す配列に値を入力する。以下の表８及び表９は、それぞれ、化合物C6H8O4の入力例（各炭素原子ごとの結合を表す配列の入力）及び化合物C6H8O4の入力結果の表示例である。
【００５８】
【表８】
0004623958.tif 000009
【００５９】
【表９】
0004623958.tif 000010
【００６０】
なお、この段階で、各炭素原子の結合の数、前述の不合理な構造のチェック1.のうち(b)から(f)までの項目、及び水素・酸素原子の数の総和が偶数であるかについてのチェックを行なった。入力にエラーがある場合は、該当する炭素原子の結合数の値を修正する。以下の表１０は6 番めの炭素原子の2 重結合の数字を0 でなく1 と入力した場合の修正例である。
【００６１】
【表１０】
0004623958.tif 000011
【００６２】
表１０は、表９において誤って６番めの炭素原子の２重結合の数字を０でなく１と入力した例である。「Error」が表示されるので、炭素原子の番号(６)と２重結合の番号(５)を指定し、値を１から０に修正する。各炭素原子ごとの結合を表す配列にエラーがなければ、以下の表１１のようにして、２重結合、複素環、炭素環の炭素原子間の結合を表す配列の入力を行なう。
【００６３】
【表１１】
0004623958.tif 000012
【００６４】
表１１は、表９の例に対して炭素原子間の結合を表す配列の入力を行なっている例である。表中に示すように、２重結合、複素環、炭素環のそれぞれについて、各炭素原子ごとの結合を表す配列で０でない炭素原子番号が表示されるので、結合種類ごとに結合関係にある炭素原子の番号を入力した。入力の値は、各炭素原子ごとの結合を表す配列と比較され、エラーがある場合は表示される。エラーがある場合には、各炭素原子ごとの結合を表す配列の入力の場合と同様に値を修正できる。
上述のようにして目的化合物の分子構造をコンピュータに入力した。
【００６５】
出発化合物の選択
本実施例ではC3からC6までの単糖又は単糖の水和物を出発化合物として用いた。各炭素原子にはカルボニル基、水酸基のいずれかが含まれることを前提にして、各炭素原子ごとの結合を表す配列の値を変化させた総当たり法により単糖又は単糖の水和物をリストアップし、その中から出発化合物を選択した。なお、左右反転構造のものを除外するために、前述の「同じ構造のチェック」を行い同一化合物がある場合には排除した。
【００６６】
脱水操作の詳細
表１２及び１３に脱水操作を行なう炭素原子セグメントのパターンを示す。脱水操作を行なう化合物に以下の炭素原子セグメントのパターンがあれば、前述の構造変化の手法と同様の手順を用いて脱水操作を行なう。また、脱水操作を行なう化合物と目的化合物との各炭素原子を比較し、水酸基が離脱する炭素原子における酸素の数が目的化合物の値よりも多いことを確認する。左右反転した炭素原子セグメントのパターンについても脱水操作を行なう。このサブルーチンでは、主にカルボニル基のα-水素を引き抜いて脱水反応が進行するとした。
【００６７】
【表１２】
0004623958.tif 000013
【００６８】
【表１３】
0004623958.tif 000014
【００６９】
脱水における２重結合の移動のように、炭素原子間の結合を表す配列から２重結合を削除する必要が生じた場合、２重結合(=) の番号である5の数字を負にした結合を炭素原子間の結合を表す配列に追加した。炭素原子間の結合を表す配列は、炭素間の結合位置が同じで結合の種類の番号が正負逆のものが打ち消される。その後、前述の化合物の表現方法で示したソート操作によって順序が整えられる。表１２の一番上の脱水パターンについて、２重結合の移動に伴う炭素原子間の結合を表す配列を変更した例を表１４に示す。
【００７０】
【表１４】
0004623958.tif 000015
【００７１】
さらに、脱水が進んだ（炭素原子数―２の値以上の脱水操作を行なう）場合は、表１５の脱水パターンも追加して適用した。
【００７２】
【表１５】
0004623958.tif 000016
【００７３】
前述のソート操作の後に、炭素原子の再番号付けのチェック、炭素原子ごとの結合数及び不合理な構造のチェック、同じ構造のチェック（左右反転構造及び同じ構造のチェック）を行なった。チェックを通過したものを脱水化合物として認定し、脱水化合物の集合に追加した。
【００７４】
酸化（脱水素）操作の詳細
表１６に脱水素操作を行なう炭素原子セグメントのパターンを示す。具体的な手順については、脱水操作と同様である。このサブルーチンでは、主に水素の引き抜きによる２重結合の付加が進行するとした。
【００７５】
【表１６】
0004623958.tif 000017
【００７６】
還元（水素化）操作の詳細
表１７に脱水素操作を行なう炭素原子セグメントのパターンを示す。これも具体的な手順については、脱水操作と同様である。このサブルーチンは、脱水素操作の逆反応になっており、主に２重結合への水素の付加が進行するとした。
【００７７】
【表１７】
0004623958.tif 000018
【００７８】
互変異性化操作の詳細
表１８、１９及び２０に互変異性化操作を行なう炭素原子セグメントのパターンを示す。具体的な手順については脱水操作と同様である。左右反転した炭素原子セグメントのパターンについても互変異性化操作を行なった。表１８の互変異性化パターンは、ケトーエノール平衡である。
【００７９】
【表１８】
0004623958.tif 000019
【００８０】
表１９は、ケトーエノール平衡と２重結合の移動を伴うパターンである。いずれも、カルボキシル基やケテン基を生成しないように制限した。
【００８１】
【表１９】
0004623958.tif 000020
【００８２】
表２０は、互変異性化によるケテン生成のパターンである。
【表２０】
0004623958.tif 000021
【００８３】
なお、脱水が進んだ（炭素原子数-２の値以上の脱水操作を行なった）化合物については、表２１の互変異性化パターンも追加して適用した。
【００８４】
【表２１】
0004623958.tif 000022
【００８５】
なお、互変異性化操作では、互変異性化操作直前とその１つ前の化合物との構造を配列表により比較し、各互変異性体が同じ構造ではないことを確認するようにし、互変異性体の集合に追加した。
【００８６】
環化操作の詳細
表２２、２３及び２４に環化による炭素環の生成操作を行なう炭素原子セグメントのパターンを示す。具体的な手順については、互変異性化操作と同様である。左右反転した炭素原子セグメントのパターンについても環化操作を行なう。表２２は、ケトーエノール平衡と２重結合の移動による環化パターンである。
【００８７】
【表２２】
0004623958.tif 000023
【００８８】
表２３は、カルボニル基のα-水素の引き抜きに基づくパターンである。
【表２３】
0004623958.tif 000024
【００８９】
表２４は、カルボニル基やケトーエノール平衡が関与する環化パターンである。
【表２４】
0004623958.tif 000025
【００９０】
表２５及び２６に環化による複素環の生成操作を行なう炭素原子セグメントのパターンを示す。カルボニル基またはケテン基と水酸基との反応により、複素環が生成するとした。具体的な手順については、炭素環の生成操作と全く同じである。
【００９１】
【表２５】
0004623958.tif 000026
【００９２】
【表２６】
0004623958.tif 000027
【００９３】
反応経路の表示における化合物表現
反応経路の表示において個々の化合物の表示には以下の表示法を用いた。この表示法は化合物の炭素原子と酸素原子の結合を数字として表すものである。化合物は、水酸基、カルボニル基がそれぞれ結合している炭素原子の番号を１個、２個表示した数列となる。複素環は、結合する炭素原子の番号を表示する。それぞれの結合の間はカンマで区切る。数列の前には、ヘッダーとして()で括られた数列があり、炭素数と炭素原子自身の結合（２重結合、３重結合、炭素環）を表す。炭素原子と水素原子の結合については表示しない。ここで、２及び３重結合は、結合している２つの炭素原子の中で番号が小さい方の数字のみを表示する。ただし、２つの炭素原子が炭素環の結合でもある場合は、両方の炭素原子の番号を()で括って表示する。数列は、２重結合ごと、３重結合ごとにまとめ、結合の種類を表示するためにそれぞれの末尾にd、tの記号をつけた。炭素環以外の炭素原子相互の間の単結合については表示しない。なお、炭素環は個々の結合ごとに表示し末尾にcの記号をつけるが、構成炭素すべてで環を形成する場合はこの操作を省略し、代わりに炭素数の後にcの記号をつける。上記の方法に従えば、表２７に示す化合物では、(6,24d)11,25,6と表示することができる。
【００９４】
【表２７】
0004623958.tif 000028
【００９５】
また、本実施例で採用した目的化合物C6H8O4の場合では、(6,15c,2d)11,4,5,6と表示される。
【００９６】
全反応経路の表示
全反応経路は、生成した化合物から出発原料である糖に向かって反応経路を記録するためのテーブル（表７参照）を遡る操作を繰り返して表示する。表２８に全反応経路の表示例を示す。
【００９７】
【表２８】
0004623958.tif 000029
【００９８】
目的化合物への反応経路の表示
全反応経路の表示と同様に、生成した化合物から出発化合物に向かって反応経路を記録するためのテーブル（表７参照）を遡って、目的化合物と同一の分子式を有するを化合物を抽出し、その化合物と目的化合物との分子構造が一致するかどうかを分子構造を表現する配列表を用いてコンピュータに判断させた。その化合物が目的化合物と一致すると判断された場合、その化合物から反応経路を記録するためのテーブルを遡って出発化合物までの反応経路を表示させた。上記の操作を繰り返して出発化合物と目的化合物とを結ぶ反応経路を全て出力・表示させた。なお、反応工程の短いものだけを選択して表示させることもできる。さらに、示性式による表示もできる。表２９に目的化合物と出発化合物とを結ぶ反応経路（逆合成経路）の表示例を示す。
【００９９】
【表２９】
0004623958.tif 000030
【０１００】
ケテンの水和による反応経路の表示
本発明の方法による反応経路の展開の手順にしたがって、ケテンを水和した化合物を出発物質として目的化合物までの反応経路の展開を行なった。表３０に目的化合物がカルボン酸である場合の反応経路の表示例を示す。
【０１０１】
【表３０】
0004623958.tif 000031
【０１０２】
出発化合物である種々のC3化合物（単糖）と目的化合物CH3CH(OH)COOH[C3H6O3]とを結ぶ全反応経路を漏れなく短時間で効率的に選択されることが示された。そして、実際に目的化合物を合成する場合には、上記のようにして抽出された反応経路から、反応条件や生産規模等を考慮して最適の反応経路を選択して行えばよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
今日、環境問題、資源問題がクローズアップされ、化石資源利用の減量化とともに、循環型資源であるバイオマスの利用が大きく注目され、いたるところで研究が進められている。日本政府も「バイオマス ニッポン総合戦略」を、閣議決定し循環型資源であるバイオマスの利用をおおいに推進している。
【０１０４】
バイオマスの主要構成要素でＣ、Ｈ、Ｏから構成される炭化水素は、日本に石油化学が導入される昭和４０年代初頭まで有機化学の１つの分野として研究が進められていた。その後、エネルギー政策の変換とともに、化石燃料を中心とした化学・化学工業が発展し、化石資源由来の化合物であるエチレン、ベンゼン等を基幹化合物とした有機化学が取って代わり、現在の有機化学・有機化学工業が確立された。
【０１０５】
バイオマスのより高度な利用形態である「化学工業原料化」を考えるとき、バイオマスの主要構成部分を形成するセルロース、そしてそのセルロースの主要構成要素である糖を基幹化合物とする新しい有機化学の体系化が必要である。
【０１０６】
本発明は、バイオマスの化学工業原料化において、最も重要な糖及び糖化合物の諸反応を整理し、そして体系化した理論「シュガー・カスケード理論」を基にソフトウェア化したものである。
【０１０７】
このソフトウェアにより、糖及び糖化合物である出発物質と目的物質を指定すれば、可能性のある全ての反応経路を瞬時に見出すことができる。また、中間生成物を通る反応経路を求めることも可能である。
【０１０８】
これらのことは、糖及び糖類の反応経路探索の効率化とプロセス設計に関する設計指針を与えるものであり、バイオマス高度利用に新たな道筋を拓くものであり、「糖及び糖化合物の有機化学」と「バイオマス工業化学」の発展の可能性が期待できる。