AIが「隠れた化学反応」を可視化!~有機合成を変える「潜在変数」アルゴリズムを開発~

2025-11-21 分子科学研究所

分子科学研究所(椴山儀恵グループら)は、実験で直接観測できない「隠れた反応経路」を可視化・予測する新しいアルゴリズムを開発しました。AIが学習により導き出す「潜在変数」を活用し、分子の電子的特徴を数理的に捉えることで、有機合成反応において未知の条件下での生成物の収率を高精度に予測しました。具体的には、ペルフルオロヨード化ナフタレン類という反応系を対象に、AIの予測に基づいた条件下で90%以上の高収率が得られました。これにより、触媒設計や有機半導体材料開発といった複雑な有機合成化学のデジタル化・自動化が加速されると期待されます。本研究成果は、国際学術誌『Artificial Intelligence Chemistry』(2025年10月13日オンライン)に掲載されました。

AIが「隠れた化学反応」を可視化!~有機合成を変える「潜在変数」アルゴリズムを開発~
図:本研究で開発した「潜在変数」を用いたAIによる有機合成の新しいワークフロー
(掲載論文のグラフィカルアブストラクトより改変・引用)

<関連情報>

機械学習による将来有望な有機分子材料の合成:実験では観測できない反応を理解し予測するための潜在変数を備えたアルゴリズム Machine learning-guided synthesis of prospective organic molecular materials: An algorithm with latent variables for understanding and predicting experimentally unobservable reactions

Kazuhiro Takeda, Naoya Ohtsuka, Toshiyasu Suzuki, Norie Momiyama
Artificial Intelligence Chemistry  Available online: 13 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.aichem.2025.100096

Highlights

  • ML algorithm predicts unobservable reactions using latent variables.
  • Latent variables correlate with NBO charges, rationalizing reaction mechanisms.
  • High prediction accuracy achieved with RMSE < 1 % in extrapolation domain.
  • Experimental validation confirms accurate reaction yield predictions.
  • Potential applications in catalysts, semiconductors, and biosensors.

Abstract

Chemists have traditionally relied on heuristic approaches to qualitatively assess chemical structure–property relationships and interpret experimental outcomes. However, these methods are inherently limited in handling large volumes of data and integrating them effectively into experimental planning. Understanding the interrelationships among different substitution patterns of organic molecular materials is crucial for optimizing synthetic conditions and expanding their applicability. In this study, we developed a machine learning (ML) algorithm incorporating latent variables to predict unobservable reactions and synthetic conditions for organic materials, specifically perfluoro-iodinated naphthalene derivatives. The algorithm accurately estimated substitution pattern relationships and reaction yields, which were experimentally validated with high-yield outcomes. Our findings reveal that latent variables effectively capture underlying physicochemical relationships, achieving an R value > 0.99. This approach establishes an ML-guided framework that complements heuristic decision-making in chemistry and optimizes synthetic processes for the target molecule in an extrapolative manner. Further applications of this algorithm will focus on synthetic design and physicochemical property prediction, particularly for catalyst discovery and organic semiconductor optimization.

0500化学一般
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