カーボンニュートラルに向けた分子シミュレーション活用事例

分子シミュレーションソフトMaterials Studioを利用して、新規化合物の新しい生成方法（過程）を予測した事例をご紹介します。この研究では、様々な使用用途があるPGME（propylene glycol monomethyl ether）という原料をCO₂から生成する方法を探索しました。そして、DFT計算と実験結果を組み合わせてCO₂からPGMEへの合成経路の一つの可能性を提唱しました。
さらに、反応中の水素の役割や、PGMEの生成につながるC-Cカップリング形成のための2つの触媒金属（RuとIr）の役割を明らかにしました。
詳細は下記をご覧ください。

Selectivity controlled transformation of carbon dioxide into a versatile bi-functional multi-carbon oxygenate using a physically mixed ruthenium–iridium catalyst

A. Chatterjee et al., Catal. Sci. Technol., 2021,11, 4719-4731

プロフィール

1992年、インドのBurdwan大学でPh.D.（物理分析化学）を取得。
カリフォルニア大学サンタバーバラ校およびCNRSモンプリエ校でのポスドク研究を経て、インドのプネにある国立化学研究所に入社。
その後、1995年に東北大学客員准教授として来日し、2004年まで独立行政法人産業技術総合研究所（AIST）の主任研究員を務めた後、ダッソー・システムズに入社。
現在は、アジア太平洋地域の技術チームのシニア・マネージャーとして、グローバルな役割を担っている。
ピアレビュー誌に125本の研究論文を発表し、書籍では数章を執筆。
また、政府のプロジェクトに参加したほか、さまざまな民間企業のプロジェクトリーダーとして、科学的知見に基づいたエンタープライズプラットフォームを用いて、マルチスケールモデリングやデータサイエンスと組み合わせた新しい機能性材料の開発に取り組んでいる。

著書紹介

1Structure Property Correlations for Nanoporous Materials (Hardcover – Illustrated, May 17, 2010)
Chatterjee氏によるナノポーラス材料に関する著書です。本書ではナノポーラス材料の概要と、従来の理論的・実験的研究の課題を解説しています。また、密度汎関数理論（DFT）など分子シミュレーションの解説を加えながら、実験とシミュレーションを組み合わせて理論的な解析をすることの意義を伝えています。

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PGME（propylene glycol monomethyl ether）はカーボンニュートラルの実現に向けてその活用が期待されている原料です。
PGMEは半導体製造時の溶媒、燃料添加剤、塗料のコンポーネント剤など、幅広い用途に利用されます。
従来は石油由来の酸化プロピレンから年間数百万トン規模で生産されているPGMEですが、CO₂と水素から生成するにはハードルの高い化合物です。
本研究は分子シミュレーションを用いて、PGMEをより容易に生成できる反応経路を明らかにしました。
この便利な原料をCO₂起点で生成する方法が実験的にも確立されれば、CO₂活用、ひいてはカーボンニュートラルの実現へと繋がることが期待されています。

Chatterjee 氏：まず、CO₂から社会的に有用な原料を作り、CO₂の有効活用がしたいと考えていました。
CO₂に含まれる炭素の数は1つだけですが、C-Cカップリングによって分子中の炭素を増やし、かつ、作成できる可能性のある有用な原料を探していたところ、PGMEに辿りつきました。
PGMEは使用用途が多岐にわたる原料のため、もしCO₂からPGMEを作成することができればインパクトが非常に大きいと考え、本研究ではCO₂からPGMEを生成する反応経路の解明に取り組みました。

PGMEのような生成メカニズムの複雑な分子では、生成までの反応経路やその詳細な様子を調べるには多くの障壁があります。原料や反応に使用する触媒、添加する水素の濃度、さらには吸着の角度といった様々な条件が関係するため、これら条件を整え、実験によって反応の様子を解明することが困難であることは想像に難くありません。この困難は多くの研究者を悩ませてきました。
そこで、分子シミュレーションソフトMaterials Studioを用いて、合成経路中の化学反応に必要なエネルギーを計算科学的にシミュレーションすることにより、実験では調べることが難しい反応過程の詳細を「計算する」ことができるようになります。この研究では、ルテニウムやイリジウムといった金属を触媒として、CO₂と水素からどのような反応経路でPGMEが生成されるか、また生成に必要なエネルギーを明らかにしました。

Visualizer　GUI、構造モデルの表示編集を行うコアモジュール

Adsorption Locator　広範な材料において最安定吸着サイトを発見

DMol3　密度汎関数理論（DFT）に基づく量子力学プログラム

 FlexTS　化学反応プロセスのシミュレーション・遷移状態探