Precision Reaction Field Design of Organocatalysts Based on Demand-driven Quantum Chemical Calculations

基于需求驱动的量子化学计算有机催化剂精密反应场设计

基本信息

批准号：
22K19018
负责人：
寺田眞浩
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、不斉触媒反応において「C-H…O非古典的水素結合、C-H…π、πスタッキング」といった「分散力を主とする弱い相互作用」を介して有機分子触媒あるいは不斉配位子と反応基質が相互作用し、遷移状態の安定化が図られていることが明らかになってきた。立体反発に起因する「立体歪」による遷移状態の不安定化は良く議論されるが、「分子間相互作用による遷移状態の安定化」も選択性を決定づける極めて重要な因子となっている。デマンド・ドリブン（要求駆動）に基づく方法論は、これら「立体歪の最小化」と「分子間相互作用の最大化」という最適触媒に「要求される」条件を「駆動力」として探索することを特徴とする。この方法論の実証系として代表者が豊富な経験を有するキラルリン酸触媒を用いた反応系を検討した。デマンド・ドリブンに基づく方法論は触媒の修飾と反応基質の修飾の二通りの方法があるが、今年度は反応基質の修飾を検討した。キラルリン酸触媒のなかでもスピロ環構造を有するSPINOL誘導体の6,6’-位に導入する置換基を固定し、反応基質に導入したフェニル基を化学修飾することを想定し、代表的な候補置換基をフェニル基上に導入した。立体効果についてはA-valueを、電子効果についてはHammettのσ値などの既存のデータを活用し置換位置とともに置換基の特徴を表記する記述子とした。量子化学計算による遷移状態計算、続く「歪/相互作用解析」を行い、得られた「立体歪」と「分子間相互作用」エネルギーをそれぞれ、置換基パラメータ「立体効果（A-valueなど）」は「立体歪」と、「電子効果（Hammettのσ値など）」は「分子間相互作用」と相関する評価データとした。これらの一次評価データからガウス過程回帰法による回帰モデルの作成と探索を行い、さらに確率論的に求めるベイズ最適化法を適用して、フェニル基上に導入する最適置換基を推定した。

近年来，已经揭示了在不对称的催化反应中，有机分子催化剂或不对称配体通过“主要基于分散力的弱相互作用”（例如“ C-H ... o非分类氢键），C-H ... c-H ...π，π堆积状态，稳定性的过渡状态。经常讨论由于立体螺栓引起的“立体质晶体”引起的过渡状态的不稳定，但是“由于分子间相互作用而导致的过渡状态的稳定也是决定选择性的一个极为重要的因素。需求驱动的方法的特征是搜索最佳催化剂所需的条件，例如“最小化立体阶段”和“最大化分子间相互作用”为“驱动力”。作为该方法的演示系统，研究了使用手性磷酸盐催化剂的反应系统，该反应系统是代表性的，具有丰富的经验。需求驱动的方法可以通过两种方式使用：催化剂修饰和反应性底物修饰，但是今年我们已经检查了反应性底物的修饰。在手性磷酸盐催化剂中，将具有螺旋环结构的旋醇衍生物的6,6'-位置引入的取代基被固定，并将引入反应底物引入的苯基对化学修饰，并将代表性候选替代物引入苯基基团。对于空间效应，使用了A值，对于电子效应，现有数据（例如Hammett的σ值）用于描述指示取代特征以及替代位置的描述。使用量子化学计算进行过渡状态计算，然后进行“应变/相互作用分析”，并使用所获得的“立体结构”和“分子间相互作用”能量，并使用定位参数“立体效应”（例如A value）用作“刻板式扭曲”（例如刻板式）和“静电效应”（例如诸如harmet forter and the hammets correl）。 “分子间相互作用。”从这些主要的评估数据中，使用高斯过程回归创建和搜索了回归模型，此外，采用了贝叶斯优化方法来估计苯基基团引入的最佳取代基。