2025/10/23 更新

写真a

ノト ナオキ
納戸 直木
NOTO Naoki
所属
学際統合物質科学研究機構 特任助教
職名
特任助教

学位 1

  1. 博士(工学) ( 2020年3月   東京工業大学 ) 

 

論文 8

  1. Transfer learning from custom-tailored virtual molecular databases to real-world organic photosensitizers for catalytic activity prediction

    Noto, N; Nagano, T; Fujinami, M; Kojima, R; Saito, S

    COMMUNICATIONS CHEMISTRY   8 巻 ( 1 ) 頁: 288   2025年10月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Communications Chemistry  

    The scarcity of experimental training data restricts the integration of machine learning into catalysis research. Here, we report on the effectiveness of graph convolutional network (GCN) models pretrained on a molecular topological index, which is not used in typical organic synthesis, for estimating the catalytic activity, a task that usually requires high levels of human expertise. For pretraining, we used custom-tailored virtual molecular databases that can be readily constructed using either a systematic generation method or a molecular generator developed in our group. Although 94%–99% of the employed virtual molecules are unregistered in the PubChem database, the resulting pretrained GCN models improve the prediction of catalytic activity for real-world organic photosensitizers. The results demonstrate the efficiency of the present transfer-learning strategy, which leverages readily obtainable information from self-generated virtual molecules. (Figure presented.)

    DOI: 10.1038/s42004-025-01678-w

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  2. Transfer learning across different photocatalytic organic reactions Open Access

    Noto, N; Kunisada, R; Rohlfs, T; Hayashi, M; Kojima, R; Mancheño, OG; Yanai, T; Saito, S

    NATURE COMMUNICATIONS   16 巻 ( 1 ) 頁: 3388   2025年4月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Nature Communications  

    While seasoned organic chemists can often predict suitable catalysts for new reactions based on their past experiences in other catalytic reactions, developing this ability is costly, laborious and time-consuming. Therefore, replicating this remarkable expertize of human researchers through machine learning (ML) is compelling, albeit that it remains highly challenging. Herein, we apply a domain-adaptation-based transfer-learning (TL) approach to photocatalysis. Despite being different reaction types, the knowledge of the catalytic behavior of organic photosensitizers (OPSs) from photocatalytic cross-coupling reactions is successfully transferred to ML for a [2+2] cycloaddition reaction, improving the prediction of the photocatalytic activity compared with conventional ML approaches. Furthermore, a satisfactory predictive performance is achieved by using only ten training data points. This experimentally readily accessible small dataset can also be used to identify effective OPSs for alkene photoisomerization, thereby showcasing the potential benefits of TL in catalyst exploration.

    DOI: 10.1038/s41467-025-58687-5

    Open Access

    Web of Science

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  3. Study on Phosphorus Compound/Catechol-Catalyzed Dehydrative Amidation and Its Database Development for Machine Learning

    Nagano, T; Bagal, DB; Kunisada, R; Nakajima, H; Sano, K; Noto, N; Saito, S

    CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL   31 巻 ( 43 ) 頁: e202500955   2025年8月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Chemistry A European Journal  

    Herein, we report that the catalytic activity of phosphorus compounds with a P─H bond in dehydrative amidation reactions is substantially enhanced when using catechol derivatives as additives. A systematic investigation into the catalytic activity of four phosphorus compounds and 17 catechol derivatives allowed identifying several effective combinations, for example, dimethyl phosphite and 2,3-dihydroxynaphthalene, for the catalytic amidation of carboxylic acids with amines. The developed catalytic system enables the synthesis of pharmaceuticals and facilitates the amidation of anilines, which are typically considered poor substrates with low reactivity. In addition, machine-learning (ML) models were constructed to validate the effectiveness of the database generated from the above-mentioned investigation. Multilayer perceptron (MLP) models incorporating descriptors derived from both quantum chemical calculations and RDKit provided accurate predictions while maintaining chemical interpretability, which was underscored by a visual analysis using SHAP.

    DOI: 10.1002/chem.202500955

    Web of Science

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  4. Database Construction for the Virtual Screening of the Ruthenium-Catalyzed Hydrogenation of Ketones

    Nakajima, H; Murata, C; Noto, N; Saito, S

    JOURNAL OF ORGANIC CHEMISTRY   90 巻 ( 2 ) 頁: 1054 - 1060   2025年1月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Journal of Organic Chemistry  

    During the recent development of machine-learning (ML) methods for organic synthesis, the value of “failed experiments” has increasingly been acknowledged. Accordingly, we have developed an exhaustive database comprising 300 entries of experimental data obtained by performing ruthenium-catalyzed hydrogenation reactions using 10 ketones as substrates and 30 phosphine ligands. After evaluating the predictive performance of ML models using the constructed database, we conducted a virtual screening of commercially available phosphine ligands. For the virtual screening, we utilized several models, such as histogram-based gradient boosting and Ridge regression, combined with the Mordred descriptors and MACCSKeys, respectively. The disclosed approach resulted in the identification of high-performance phosphine ligands, and the rationale behind the predictions in the virtual screening was analyzed using SHAP.

    DOI: 10.1021/acs.joc.4c02347

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  5. (PNCP)Ir vs (PNNP)Ir: Neutral Iridium Complex for Direct Hydrogenation of Carboxylic Acids

    Nishimoto, K; Noto, N; Kametani, Y; Gromer, B; Murata, C; Okuwa, H; Shiota, Y; Yoshizawa, K; Saito, S

    ORGANOMETALLICS   43 巻 ( 23 ) 頁: 3013 - 3021   2024年10月

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    出版者・発行元:Organometallics  

    Herein, we demonstrate the significant impact of tetradentate-ligand-coordinated metal complexes, which have not yet been exploited for the direct catalytic hydrogenation of carboxylic acids (CAs). Our previously developed cationic iridium complex coordinated with a PNNP-ligand [(PNNP)Ir] is effective for hydrogenating esters and carboxylic anhydrides generated in situ from CAs but unsuitable for the direct hydrogenation of CAs. In sharp contrast, the corresponding neutral iridium complex with a PNCP-ligand [(PNCP)Ir] developed in this study facilitates the direct hydrogenation of CAs, including biorelevant and pharmaceutical compounds, under not more than 1 MPa of H<inf>2</inf>. Quantum-chemical calculations indicated that (PNCP)Ir is kinetically a far more competent catalyst than (PNNP)Ir, particularly for the C-H bond formation via hydride transfer from Ir-H to the carbonyl carbon of CA, which was identified as the rate-determining step. While Ir-carboxylates are in resting states throughout the catalytic cycle, CA itself barely interacts with the Ir center during the hydride transfer process.

    DOI: 10.1021/acs.organomet.4c00355

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  6. Machine-Learning Classification for the Prediction of Catalytic Activity of Organic Photosensitizers in the Nickel(II)-Salt-Induced Synthesis of Phenols Open Access

    Noto Naoki, Yada Akira, Yanai Takeshi, Saito Susumu

    ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION   62 巻 ( 11 ) 頁: e202219107   2023年2月

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    記述言語:英語   出版者・発行元:Angewandte Chemie - International Edition  

    Catalytic systems using a small amount of organic photosensitizer for the activation of an inorganic (on-demand ligand-free) nickel(II) salt represent a cost-effective method for cross-coupling reactions, while C(sp2)−O bond formation remains less developed. Herein, we report a strategy for the synthesis of phenols with a nickel(II) salt and an organic photosensitizer, which was identified via an investigation into the catalytic activity of 60 organic photosensitizers consisting of various electron donor and acceptor moieties. To examine the effect of multiple intractable parameters on the catalytic activity of photosensitizers, machine-learning (ML) models were developed, wherein we embedded descriptors representing their physical and structural properties, which were obtained from DFT calculations and RDKit, respectively. The study clarified that integrating both DFT- and RDKit-derived descriptors in ML models balances higher “precision” and “recall” across a wide range of search space relative to using only one of the two descriptor sets.

    DOI: 10.1002/anie.202219107

    Web of Science

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  7. Arylamines as More Strongly Reducing Organic Photoredox Catalysts than fac-[Ir(ppy)3]

    Noto Naoki, Saito Susumu

    ACS CATALYSIS   12 巻 ( 24 ) 頁: 15400 - 15415   2022年12月

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    出版者・発行元:ACS Catalysis  

    Organic photoredox catalysts (OPCs) have the potential to replace precious-metal-based photoredox catalysts (PMPCs). Compared with strongly oxidizing OPCs, such as the representative acridinium salts, however, the recent development of strongly reducing OPCs has been relatively sluggish. In this Perspective, strongly reducing OPCs bearing arylamine motifs are introduced. One of the advantages of OPCs is their versatility in catalyst design, which makes it easier to develop catalysts with a reducing capability superior to that of fac-[Ir(ppy)3], which is the strongest reductant among the commonly used PMPCs. Easy access to structural diversity also contributes to the rapid development of appropriate catalysts for various applications, for instance, not only simple organo-radical reactions but also precise control of polymer synthesis and properties through photocatalytic (organocatalyzed) atom-transfer radical polymerization. While light with a shorter wavelength (higher energy), such as near-ultraviolet light, is typically involved in conferring OPCs with their strongly reducing natures, strategies to develop strongly reducing catalytic systems using a longer wavelength (lower energy) of visible light, including consecutive photoinduced electron transfer, are emerging as a defacto standard. These strategies for the design of OPC systems, which allow them to achieve otherwise inaccessible reactions using visible light, are also described.

    DOI: 10.1021/acscatal.2c05034

    Web of Science

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  8. Simple generation of various α-monofluoroalkyl radicals by organic photoredox catalysis: modular synthesis of β-monofluoroketones.

    Taniguchi R, Noto N, Tanaka S, Takahashi K, Sarkar SK, Oyama R, Abe M, Koike T, Akita M

    Chemical communications (Cambridge, England)   57 巻 ( 21 ) 頁: 2609 - 2612   2021年3月

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    記述言語:英語  

    DOI: 10.1039/d0cc08060h

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科研費 5

  1. 触媒性能予測におけるリアル・バーチャルデータの転移可能性の体系的調査

    研究課題/研究課題番号:25K18029  2025年4月 - 2027年3月

    科学研究費助成事業  若手研究

    納戸 直木

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:4680000円 ( 直接経費:3600000円 、 間接経費:1080000円 )

    研究提案者は以前、ドメイン適応を活用することで、少数のデータから正確な光増感剤の触媒活性予測が可能であることを見出した。一方、この先行研究では、対象がエネルギー移動型の光反応に限定されており、フォトレドックス反応等のより後半な光反応に対する適用可能性は調査されていない。そこで本研究課題の第一の挑戦としては、データベース拡張及び転移学習の適用範囲の調査に取り組む。また、近年では機械学習モデルのパラメータを転移する深層学習ベースの転移学習法が台頭してきている。そこで本研究課題の第二の挑戦としては、バーチャルデータと触媒活性のようなリアルなデータを結びつける、より発展的な転移学習法を開拓する。

  2. 大規模仮想分子データベースを活用した有機光増感剤設計法の深化

    研究課題/研究課題番号:24H01071  2024年4月 - 2026年3月

    科学研究費助成事業  学術変革領域研究(A)

    納戸 直木

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:8320000円 ( 直接経費:6400000円 、 間接経費:1920000円 )

    本研究課題では、大規模な仮想分子データベースを活用した有機光増感剤の開発に取り組む。具体的には、量子化学計算により仮想分子の大規模物性データベースを構築し、このデータベースを、これまでに開発してきた「有機光増感剤の触媒活性を予測する機械学習法」と組み合わせることで、高活性な新規有機光増感剤を開発することを目指す。また、構築したデータベースを転移学習と組み合わせることにより、これまでに行なってきた「記述子の改良」よりも容易かつ強力に触媒活性の予測精度を改善する手法の開発にも併せて取り組む。

  3. 光増感剤の触媒活性予測における転移学習

    研究課題/研究課題番号:23K13744  2023年4月 - 2025年3月

    科学研究費助成事業  若手研究

    納戸 直木

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:4680000円 ( 直接経費:3600000円 、 間接経費:1080000円 )

    申請者はこれまでに、有機光増感剤の触媒活性を予測する機械学習法の開発に成功している。一方で、申請者の先行研究も含めて、現在有機合成分野で開発されている主な機械学習法では、機械学習モデル構築のために多数の学習データが必要となる上に、既存のデータを新たな機械学習モデルの構築に利用する手法が確立されていないという問題点を抱えている。本研究課題ではこの問題の解決に向けて、網羅的なデータベースの活用を実現する手法の開発を目指す。具体的には、「あるタスクをこなす際に学習された知識を、関連する別のタスクに適用する」技術である転移学習の、有機光増感剤の触媒活性予測における有効性の実証に取り組む。

  4. 金属・光二元触媒システムにおけるデータ駆動型高活性有機光触媒の設計法の開発

    研究課題/研究課題番号:22H05356  2022年6月 - 2024年3月

    科学研究費助成事業  学術変革領域研究(A)

    納戸 直木

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    担当区分:研究代表者 

    配分額:8060000円 ( 直接経費:6200000円 、 間接経費:1860000円 )

    本申請課題では、有機光触媒の物性と反応性を紐づける機械学習法の開発を目指して研究に取り組む。有機光触媒の活用は、貴金属に依存しない物質生産を実現する鍵となり得る一方で、その潜在的なバリエーションの多さから、真に有効な触媒は現状見逃されている可能性が高い。そこで我々は、触媒機能のさらなる理解と反応性予測を可能にする機械学習法を確立し、より実用性の高い有機光触媒の開発を行う。また、開発した有機光触媒による反応開発や、データサイエンスを活用した反応機構の解明、さらに収集した光反応のデータベースを利用したベイズ最適化による高活性有機光触媒の自動探索プログラムの開発など、幅広い応用を目指す。

  5. フォトレドックス触媒を活用した高活性水素化触媒システムによる新規有機材料の開発

    研究課題/研究課題番号:21K20530  2021年8月 - 2023年3月

    独立行政法人日本学術振興会  科学研究費助成事業  研究活動スタート支援

    納戸 直木

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    担当区分:研究代表者  資金種別:競争的資金

    配分額:3120000円 ( 直接経費:2400000円 、 間接経費:720000円 )

    グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブなどの炭素ナノ構造体を水素化することで得られる水素化炭素ナノ構造体は、高温超伝導体の原料となる有望な有機材料である。本研究課題では、共存する金属触媒の反応性を飛躍的に向上させる作用が知られている可視光触媒を活用し、 炭素ナノ構造体を効率良く水素化するシステムを構築することで、上記のような特異な性質を有する新規有機材料の開発を目指す。
    本研究課題の目的は、新規有機材料の開発への利用を志向した光駆動型水素化触媒システムの開発であり、開発初年度は可視光照射によりマイルドな条件下で水素化反応を促進する触媒システムの開発を目指して研究に取り組んだ。
    開発当初は別々の光増感剤と水素化触媒を利用する予定であったが、様々な条件検討を行った結果、当研究室が以前水素化触媒として開発していた四座配位子を有するカチオン性イリジウム錯体が、光増感剤を用いることなく、可視光照射下でカルボニル化合物の水素化反応を進行する能力を有していることを新たに発見した。
    このような水素ガスを用いた光駆動型の水素化触媒システムに関しては、これまでにもChirikらによる報告例が存在するが(Nat. Chem. 2021, 13, 969)、これらは現状非常に限られている。そのため、今回の発見自体が学術的に高い価値を有しており、また今後の発展性も高いと考えられる。一方で、今回用いた錯体触媒の場合には基質適用範囲が比較的限定的であるため、今後は配位子等のチューニングを行うことで、さらなる触媒性能の向上を図り、適用範囲の拡大を狙う。特に最近、当研究室ではカチオン性のイリジウム錯体(水素化触媒)の配位子をチューニングして中性錯体とすることで、従来のカチオン性触媒では困難であったカルボン酸の直接還元が可能となることを併せて発見している。そのため、可視光を用いたシステムでも同様のコンセプトにより触媒性能を向上することは可能であると考えている。
    最終的には、新規有機材料の開発等への応用も可能な、芳香族化合物等の水素化に応用可能な触媒システムの開発にも挑戦する。
    本研究課題における最大の不確定要素(最も難しいと思われた点)は、「光照射によって起こる現象と水素化反応における触媒活性の間に関係性があるのか」ということである。
    開発初年度の取り組みでは、四座配位子を有するイリジウム錯体が可視光照射により活性化され、マイルドな条件下で水素化反応を促進する事ができるということを発見しており、つまり上記の、本研究課題の達成において最も重要なポイントをクリアする事ができている。
    また、芳香族化合物の水素化反応を実現できていないという点では当初の予定を達成する事ができていないが、その一方で、光増感剤と水素化触媒を別々に使用することなく、1つの金属触媒が多機能性を発揮し、光照射によって水素化反応を促進する事ができるという当初予期していなかった新しい現象を発見することもできている。1つの触媒を用いる触媒システムの方が2つの触媒が必要となる触媒システムよりも望ましいということは自明であり、これらの発見の学術的価値や将来性を考慮すると、(2)のおおむね順調に進展しているという評価が妥当であると考えている。
    今後は、これまでに見出した光水素化システムを芳香族化合物の還元に応用し、さらにフラーレンやカーボンナノチューブなどの化合物の水素化にも適用する予定である。
    一方、現状発見した触媒システムでは基質適用範囲が比較的限定的であるため、目標とする芳香族化合物の還元を達成するためには、更なる触媒性能の向上が必要であると考えている。そこで今後は、配位子等のチューニングを行うことで、さらなる触媒性能の向上を図り、適用範囲を拡大して目標の達成を狙う予定である。
    本研究課題と並行して、最近当研究室では、配位子をチューニングした中性イリジウム錯体を新たに開発することに成功している。さらにその触媒特性を検討した結果、開発した中性錯体は、従来のカチオン性錯体では不可能であったカルボン酸の直接還元が可能であるということを発見しており、すなわち水素化能力を配位子のチューニングにより自在に調整できることを見出している。
    光反応システムでも同様のコンセプトが有効である可能性は高いと考えているため、特に配位子のチューニングに着目して研究を進める予定である。