Interaction2014�

「埋蔵分৕」発掘プロジェクト

28 February 2014�

ー化学反応経路マップのインタラクティブ可視化に向けて佐藤寛৕1, ৵ি朋宏2, 中৵路久美代3, 宇野毅明1, ি中宏明4, 岩ি覚4, প野公঳5,6
1. 国য়情報学研究所, 2. 株式会社SRA,
4. 東京প学情報理ੵ学系研究科,


3. 京都প学 学際融合教育研究推進センターデザイン学ユニット,
5. 東北প学প学院理学研究科, 6. 量৕化学探索研究所

現在までに存在が確認されている化学物質は約7000万種類であり、年間数ે万~百万種オーダーで増え続けている。しかし、理論的には存在しうるが、いまだয類がুにしていない化学物質種の数はこれを遥かに凌駕することが明らかとされつつある。私達は、この୓新をもたらす「埋蔵分৕」を理論的に探索・発掘し、これらを供給する化学反応経路を、分৕のポテンシャルエネルギーや電৕状態に関するパラメータとともにデータベース化し、化学系の研究者をはじめ、研究・教育機関や঳般からも利৷できるシステムを৯指し、プロジェクトを開始した。まず、化学反応解析を専୅とする化学者のための可視化システムの開発に着ুしたので、最初の結果を報告する。

◎量৕化学に基づく探索（ポテンシャル法）

◎トポロジカルな分৕構造の数え上げ（トポロジカル法）
原৕（点）と結合（線）のトポロジカルな関係にもとづき数学的に列挙する্法 (ex. MOLGEN[1])
利点：‫・ؙ‬ৈ速に分৕構造をে成することができる。
ಳ点： ・組合せの爆発が起こる。
‫・ؙؙؙؙ‬分৕構造は平એであり、３次元構造の取扱いが難。
‫・ؙؙؙؙ‬結合শ、結合ഓ、イオン構造などの多彩な構造の可能性を取り込むのが難。
‫・ؙؙؙؙ‬ポテンシャルエネルギーなどの物性値は構造をে成しただけでは得られない。

◎両ু法のૻ較
Input: C6H6（例：ベンゼン）とした場合に、出ৡされる
分৕構造の個数‫ؙؙؙ‬トポロジカル法 (MOLGEN) ：217‫ؙؙؙ‬ポテンシャル法 (GRRM): 2073分৕のエネルギー曲એを探索する্法 (ex. GRRM[2])
利点：‫・ؙ‬ポテンシャルエネルギーにより分৕の存在の可能性を含め‫ؙؙؙؙؙ‬て理論的に評価できる。
‫・ؙؙؙؙ‬反応が起こる際に越えなければならないエネルギー障壁
（活性化エネルギー、遷移状態エネルギー）も得られる。
‫・ؙؙؙؙ‬分৕軌道や電৕状態の情報が得られる。
‫・ؙؙؙؙ‬結合শ、結合ഓ、イオン構造などの多様性を取り込むことができる。
ಳ点：‫・ؙ‬計算コストが膨প。
‫・ؙؙؙؙ‬網羅的な探索は不可能だと考えられていた‫→（ؙؙؙؙؙ‬GRRM法により可能となった）。
‫・ؙؙؙؙ‬計算条件（৷いる理論や使৷する基底関数、探索の্法‫（ ؙؙؙؙ‬限定探索/全એ探索）など）により、得られる分৕構造の‫ؙؙؙؙؙ‬個数や種類が異なる場合がある。

MOLGENからは、原৕価を満たす、トポロジカルな異性体がে成される。

※GRRMでは、PM3法、LADD=4とした限定探索を実施。
‫ؙ‬全એ探索ではこれを遥かに上回る異性体が出ৡされる
（計算継続中）。


これに対して、GRRMからは、原৕価を満たさないものも含めた、য়体異性体がে成される。GRRMで制限を与えない全એ探索をষうと、より多くの構造（4000種以上）がে成される[3]。→‫ؙ‬未知化合物が含まれる可能性がৈい

そこで、私達は、GRRMを利৷し、未知の化学物質を含む化学反応経路の網羅的探索とリポジトリ化をষい、新規物質の発ৄと創出のための化学情報資源を整備する『埋蔵分৕発掘プロジェクト』を開始した。

ウェブコミュニティシステム
複数のユーザ権限‫ؙ‬セキュア環境

データ登録
ウェブからの
データ登録・処理機能



可視化

検索

化学反応ムービ・
反応ネットワーク表ં

データマイニング・分類・
知識発ৄ・検索

化学物質・反応経路
データベース

データঽ動創出

化学反応経路探索のঽ動稼動・データ収集・登録

GRRMによる分৕構造・反応経路探索は、ユーザによるものと、分散型GRRMにより広範囲にঽ動的にষわれるものの２種類を想定している。いずれもリポジトリ化され、計算結果の可視化と解析、データリポジトリの検索を可能とする。প量に蓄積された分৕構造・反応経路データのマイニングにより、新規物質の発ৄと反応経路設計へと応৷する機能も構想に含まれている。


現在までに、データベースのプロトタイプを開発するとともに、GRRMの計算結果を化学者が解析するための可視化ツールの開発を進めてきている。GRRMから得られる分৕
構造と化学反応経路の数は膨পなため、化学者が化学反応経路探索結果を検索・解析する作業を効果的にアシストできる可視化システムと、これと連動する効率的な検索アルゴリズムが必要である。可視化・検索システムを通じて、化学者が化学反応に関する新しい知ৄを得たり、新規化合物・化学反応を発ৄしたりできるシナリオを想定し、このためのインタラクティブな可視化システムを৯指して開発を進めている。 [1] http://molgen.de/?src=documents/molgen4.html [2] Ohno, K.; Maeda, S. A Chem. Phys. Lett. 2004, 384, 277-282.; Maeda, S.; Ohno, K. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 5742-4753.;Ohno, K.; Maeda, S. J. Phys. Chem. A2006, 110, 8933-8941. [3]大野公一, 佐藤寛子, 岩本武明, “反応経路自動探索法GRRMの特性評価と機能拡充“, 第6回分子科学討論会, 2012. [4] http://openbabel.org/wiki/Main_Page!

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28 February 2014�◎化学反応経路マップの構成要素

GRRMから得られる出ৡデータは、同じ組成式（例えばC6H6など）を持つ複数の分৕構造（異性体）の幾何学情報（原৕の種類と三次元座標値）と、そのポテンシャルエネルギー等の物理化学的パラメータである。

①‫ؙ‬分৕構造（平衡構造、遷移構造、解離チャネル）の幾何学情報②‫ؙ‬各分৕のポテンシャルエネルギー等の物理化学パラメータ解離チャネル(DC)構造‫ؙ‬１つの分৕構造が２つ以上の分৕‫ؙ‬構造に解離した状態

遷移(TS)構造

ポテンシャル曲એの極৵点に存在する安定な分৕構
造は平衡構造(EQ)と呼ばれ、化学反応における反応物または反応ে成物に相当する。平衡構造が化学反応により別の化合物に変化する過程は化学反応経路とよばれるが、2つの平衡構造を結ぶ化学反応経路上の最もポテンシャルエネルギーのৈい地点は遷移状態 (TS: Transition State)と呼ばれる。これは、ポテンシャルエネルギー曲એの鞍点に相当する。化
学反応により、１つの分৕構造が分解し、2つ以上の分৕構造へと変化する場合もある。この際に得られる分離した状態は解離チャネル(DC:Dissociation Channel)とよばれる。

‫ؙ‬２つの平衡構造を結ぶ化学反応経路上の‫ؙ‬最もポテンシャルエネルギーのৈい地点

化学反応経路‫ؙؙ‬

平衡(EQ)構造‫ؙ‬反応物またはে成物に‫ؙ‬相当する安定な構造



したがって、GRRMの出ৡは、複数のEQ, TS, DCをノードとしてもつ、化学反応経路のネットワークデータであり、１つの組成式から得られるネットワーク全体を化学反応経路マップとよぶ。 化学反応経路マップ

◎注৯する属性ー何を解析するか？
①‫ؙ‬分৕構造
②‫ؙ‬平衡構造のポテンシャルエネルギー
③‫ؙ‬遷移構造のポテンシャルエネルギー
④‫ؙ‬活性化エネルギー
⑤‫ؙ‬化学反応ステップ数

分৕構造（平એ構図, ３次元構造）, ポテンシャルエネルギー,電৕状態の情報

TS

TS
TS

‫ؙ‬越えなければならないエネルギー

分৕構造（平એ構図, ３次元構造）, ポテンシャルエネルギー,電৕状態の情報

Potential energy

活性化エネルギー‫ؙ‬化学反応が起こるために

EQ

EQ
EQ
化学反応経路（１ステップ）‫ؙؙ‬EQ

化学反応経路
化学反応経路（１ステップ）‫（ ؙؙ‬１ステップ）‫ؙؙ‬

解析のポイント‫ؙ◎ؙ‬化学反応が起こりやすい経路を探す‫ؙ◎ؙ‬化学反応がどのような分৕構造の変化を経て起こるかを知る‫ؙ◎ؙ‬化学合成しやすい経路を探す
可視化に求められる要素‫ؙ◎ؙ‬より低い活性化エネルギーを経る化学反応経路の表ં‫ؙ◎ؙ‬化学反応経路に沿った分৕構造変化の履歴（ムービー）
‫ؙ◎ؙ‬化学反応経路マップ全体と局所的な表ં（全体図から各部詳細へ）
‫ؙ◎ؙ‬反応ステップ数によるソート