現代の触媒開発のニーズに応える、迅速かつ大規模な計算スクリーニングのための自動化ワークフロー

要約

第一原理シミュレーションは、均一系触媒反応における基本段階の構造、化学メカニズム、および反応エネルギーを予測するための信頼性の高いツールとなっている。競合する反応経路の反応座標の詳細を解明することで、観測された触媒活性、選択性、および特異性に対する根本的な理解が得られる。このような予測能力により、優れた特性を備えた新しい単一サイト触媒の計算機による発見と設計を加速させる可能性が開かれる。

しかし、技術の急速な発展や材料の革新が進む一方で、依然として課題は残っている：

• イノベーションへの需要が高まるにつれ、化学反応の複雑さと、それに関連する計算研究の必要性も増している
• 従来の触媒の発見ペースは限定的であり、より優れた触媒に対する需要に追いつくことができない。
• 既存の計算フレームワークは、手作業が多く、処理規模にも限界があり、高度な専門知識と訓練を必要とする。
• 新規触媒のデータベースの構築と維持は、困難を伴い、時間もかかる作業である

新規触媒に関する基礎的な理解、設計、および発見を広く普及させるため、Schrödinger は「AutoRW」と呼ばれる自動反応ワークフローを開発しました。AutoRWは、触媒、試薬、および基質の高スループットスクリーニングに必要な「列挙」「マッピング」「整理」「出力」の要素を統合したもので、列挙を行うために、あらかじめ構築された反応座標、新規の化学フラグメント、および任意のR基を必要とします。 AutoRWは、プロセスを自動化し、各反応の反応座標、反応速度、エネルギー、遷移状態、構造、物性を計算することで、大規模な計算機による触媒スクリーニングのプロセスを効率化します。

解決策：大規模な触媒スクリーニングを自動化するAutoRW

• 再現性と予測性を高める、簡素化され、カスタマイズ可能なワークフロー
• 計算処理に精通しているユーザーも、そうでないユーザーも、どちらも簡単に利用できます
• 極めて複雑な問題や課題に対する生産性の向上
• 手動による手法では見落とされがちなコンフォーマーについて、検出範囲を拡大しました
• ファイルとプロパティの管理体制を改善し、時間の節約とミスの削減を図る
• 専門的な科学・技術サポートと豊富な学習リソース

事例紹介：AutoRWが触媒反応と反応性の分野におけるイノベーションをいかに加速させるか

触媒の選択性がポリプロピレンのタクティシティに及ぼす影響の理解

オレフィン系ポリマー製品の生産量は1億トンを超えました。そのうち、ポリプロピレンは生産量が2番目に多いポリマーです。その物性は、隣接する立体中心の規則性に直接影響を受けます。この規則性、すなわちタクティシティは、反応速度選択性によって決定され、α-オレフィンモノマーの取り込みを制御することで、その物性を微調整することが可能となります。 本プロジェクトでは、科学者たちがAutoRWを用いて13種類のアイソタクチック触媒を研究し、ポリプロピレンの隣接する立体選択性について根本的に解明した。その結果は、実験による選択性（^{R2 =} 0.8）と良好な一致を示した。この迅速かつ正確なアプローチにより、ターゲット な構造と物性を備えたポリプロピレンの設計と合成の最適化が可能となる。

効率的な高性能ポリマー設計に向けたエポキシ・アミン反応のスクリーニング

熱硬化性ポリマーは、航空宇宙、自動車、防衛、および高性能スポーツ用品への応用において、その優れた熱機械的特性から、近年注目を集めています。熱硬化性ポリマーは非常に汎用性が高い一方で、これらのポリマーを新しい材料に組み込むためのコストは高額です。開発プロセスのパイプラインを加速させることは、コスト削減につながるだけでなく、リサイクルが困難な熱硬化性ポリマーの廃棄物の蓄積を軽減することにもつながります。 この目的のために、研究者らは12種類のアミンと21種類のエポキシからなるライブラリ を調査し、相対反応障壁ヒートマップを作成した。各エポキシ／アミンの組み合わせに対してReaction Workflowを適用し、反応におけるすべての定常点を特定するとともに、すべての反応段階におけるエネルギー障壁を算出することで、高性能ポリマーの効率的な設計と合成を可能にした。

ブロック共重合の最適化に向けたコモノマー選択性の検討

ブロック共重合体は、高い強度、柔軟性、融点といった独自の特性を有しています。その物性は、ポリマーのブロック長や分布に直接影響を受けますが、これらは反応速度論的なコモノマー選択性と鎖シャトル剤の活性によって決定されます。 コモノマー選択性は、触媒と既存のポリマー生成物の両方の影響を受けます。本プロジェクトでは、科学者たちがAutoRWを実行し、異なるポリマー基質を用いて35種類の触媒誘導体をスクリーニングおよび試験を行い、さまざまな共重合反応におけるコモノマー選択性に対する触媒の影響を解明しました。このアプローチにより、触媒と基質の迅速なスクリーニングが可能となり、ターゲット な構造と特性を持つブロック共重合体を設計することが可能になります。

研究開発プロジェクトチーム全体にわたる先進的な触媒の発見を促進する

現代の研究開発プロセスが、より協調的かつグローバルな方向へと進化するにつれ、チームや地域を越えたデータの保存・共有、コミュニケーション、プロジェクト管理に多大な努力が注がれてきました。こうしたサイロ化や障壁を打破するために、研究開発向けのエンタープライズ規模の情報プラットフォームが開発され、分子設計業界の多くの企業で導入されています。

そのメリットは明らかです。プロジェクトチームは、部門や拠点、地域やタイムゾーン、さらには企業を越えて、実験、設計、プロセス、シミュレーションなど、あらゆるプロジェクトデータをリアルタイムで共有しながら作業を行うことができます。チームはデータをシームレスに共有・分析・伝達し、迅速な意思決定を行うことで、プロジェクトの連携と進捗を加速させることができます。 また、エンタープライズ・インフォマティクス・プラットフォームは、組織のデータ管理を簡素化・最適化し、コンピュータのドライブへの大量データの保存や、チーム間でのデータ転送、さらにはチームや人員の異動に伴うデータ移行に伴う混乱を解消します。

Schrödinger LiveDesign は、強力なWebベースの情報解析・分子設計プラットフォームであり、チームが一元化されたプラットフォーム上で共同作業、設計、実験、分析、追跡、報告を行うことで、材料探索プロジェクトを迅速に推進することを可能にします。AutoRWを に統合することで、科学者は両方の利点を最大限に活用することができます。LiveDesign

LiveDesign のAutoRW機能による、企業全体の時間とコストの削減

• 触媒作用および反応性に関する、効率化された自動化エンタープライズソリューション
• 大規模なグローバル企業のニーズに応える拡張性を備えている
• 最先端の機械学習システムと統合されています
• 単一のWebベースのプラットフォーム上で、化学者、モデラー、エンジニアが連携して行うエンドツーエンドの共同探索
• 迅速な意思決定に向けたアイデアや成果のリアルタイム共有
• 直感的なケミインフォマティクス：実験データと計算データを同時に扱うための可視化、データおよびモデル解析

LiveDesign を活用することで、チームは共同作業を行い、年間2000種類以上の触媒を仮想的にスクリーニングすることができます。一方、モデリングを単独で行うユーザーの場合、年間でスクリーニングできる触媒は約150種類にとどまります。エンタープライズ規模の自動化ワークフローを導入することで、コスト効率と成功率が大幅に向上します。

結論

さまざまな業界の科学者たちが、触媒研究における新たなパラダイムへと移行しつつあります。従来、純粋な実験による試行錯誤に基づいていた研究は、計算機主導のワークフローへと移行しつつあります。技術の急速な発展とプロジェクト連携の進化に伴い、企業規模での簡素化され自動化されたワークフローが求められています。Schrödingerの「AutoRW」および「LiveDesign 」は、単一のWebベースのプラットフォーム上で、自動化・高速化・協働的な手法による合理的な触媒設計を可能にし、チームや組織をまたいで容易に利用・導入できます。

これらのツールにより、科学者は予測精度と生産性を高めつつ、より複雑な反応や触媒システムに関する高度な課題を、より短期間かつ低コストで解決できるようになります。