人の知識で化学反応探索を導く新システムの開発に成功~化学者の直感と化学反応経路探索プログラムを統合する新しいフレームワーク~

2025-12-22 北海道大学

北海道大学総合イノベーション創発機構化学反応創成研究拠点(WPI-ICReDD)を中心とする研究グループは、化学者の経験や直感を計算化学に組み込み、化学反応探索を効率化する新システム「ChemOntology(ケムオントロジー)」を開発した。従来の反応経路探索は、膨大な候補を網羅的に計算する必要があり、時間と計算資源が大きな課題だった。本研究では、化学者が暗黙的に用いてきた反応判断基準や知識を体系化し、人工力誘起反応(AFIR)法による反応経路探索を知識ベースで制御する新しいフレームワークを構築した。これにより、反応の「本命候補」に探索を集中でき、計算効率を大幅に向上させることに成功した。本技術は、新薬、触媒、電池材料など多様な分野における反応発見や最適化を加速する基盤技術として期待される。成果はACS Catalysis誌に掲載された。

人の知識で化学反応探索を導く新システムの開発に成功~化学者の直感と化学反応経路探索プログラムを統合する新しいフレームワーク~
化学的知識を機械可読なルールに変換し、反応探索をインテリジェントに導く。

<関連情報>

ケムオントロジー:化学者の知識を使って反応経路探索を⾼速化する新⼿法 ChemOntology: A Reusable Explicit Chemical Ontology-Based Method to Expedite Reaction Path Searches

Pinku Nath,Yuriko Ono,Yu Harabuchi,Yasunori Yamamoto,Satoshi Maeda,Tetsuya Taketsugu,and Masaharu Yoshioka
ACS Catalysis  Published: December 21, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acscatal.5c06298

Abstract

ChemOntology is a computational framework developed to extract and apply chemical knowledge from reaction intermediates generated during automated reaction path searches. By integrating chemical and geometric knowledge generated using chemical ontology and topology, ChemOntology identifies chemically relevant reaction paths and geometries to guide the reaction path search. Combined with an automated reaction path search method, Artificial Force Induced Reaction (AFIR) and applied to the Heck reaction, the ChemOntology-AFIR approach efficiently identified all key intermediates and elementary steps, including major and side products, even in high-energy regions where conventional AFIR need much larger computational efforts for extensive conformational sampling. This knowledge-driven approach significantly reduces computational costs by eliminating chemically irrelevant paths and structures. ChemOntology relies on three main inputs: the reaction setup, chemically informed assumptions encoded as Elementary Reaction Process Ontologies (ERPOs), and a set of reaction rules. Together, these enable efficient use of extracted knowledge to accelerate reaction exploration. Unlike machine learning models, it requires no training on data sets and is broadly applicable to a wide range of organometallic systems, offering a robust tool for mechanistic analysis and rational catalyst design, especially in systems where human insight remains indispensable.

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