Journal of Computer Chemistry, Japan, Vol. 5, No. 1 (2006)

分子物性推算データベース: CPDB
－分子設計支援システム：MolWorksの開発－

田島澄恵, 八木徹, 福田朋子, 長嶋雲兵

1 はじめに

新規材料開発を行なう際、合成段階物質や目的物質などの構造や物性情報が必要となる。そのため、計算機化学・化学工学計算・物性推算・データ解析・データベースシステムなどが利用されている。これらを独立的に利用するだけでは不十分であり、統合的に利用できることが望ましい。しかし、そのようなシステムは皆無である。そこで、我々は、統合的な分子設計支援システム：MolWorks[1]の開発を行なっている。
MolWorksは、分子軌道計算、物性推算、化学工学計算などに対応している。物性推算は、Joback法[2]をベースとした原子団寄与法を用いている。原子団寄与法は分子の化学構造から物性を推算する手法である。予測対象となる物性をいくつかの因子の関係式として表し、それぞれの因子を分子構造の中に含まれる原子団からの寄与(原子団パラメーター)の和として計算する。関係式や原子団パラメーターは実測データの解析により求められることから、化学構造と物性値を関連づけたデータベースが効果的に利用できる手法である。
MolWorksでは分子を原子団に自動分割し、沸点・融点・臨界定数など13種類の推算を行なう。例として手元に沸点の実測データのある1727分子のJoback法による推算結果と実測との相関をFigure 1に示した。Joback推算法は特に低温部・高温部での誤差が大きく、200-600 °Kの限られた範囲で実測との相関がよいことが分かるが、実測のない任意の分子の物性が非常に簡便にえられるという意義がある。
MolWorksはフリーで公開されているが、そのプログラムをダウンロードしインストールすることなく、推算された物性を参照したいというユーザからの要望をいくつかいただいた。そこで我々は、MolWorksに実装された原子団寄与法による分子の物性推算プログラムによって生成されたデータを集約した分子物性推算データベース:CPDBの開発を開始した。産業技術総合研究所RIODB[3]でCPDBの一部の公開を開始したので、その概要を報告する。CPDBのURLは、http://www.aist.go.jp/RIODB/cpdb/である

Figure 1. Correlation between Estimated and Observed Boiling Point Values

2 検索

現在RIODBで公開されているCPDBに含まれるレコード数は258,907である。レコードは分子構造に加えTable 1 に示す13の項目から構成される。3)-6)は、それぞれJoback法により得られた沸点、臨界温度、臨界圧力、臨界体積である。7) はEdmister法[4] によって得られた偏心係数である。計算にはJoback法のパラメータがもちいらている。Edmister法は、一番精度の高い方法であると知られているが、小さな分子の精度は良くない。8) はLee-Kesler法[5]の偏心係数である。9)は、臨界圧縮係数Zc 、10)はYen-Woods法から得られる密度である。11)は Reidel法[6] によって得られる蒸気圧、12)は、Vetre法による沸点における蒸発熱である。最後の13)衝突断面積および14)井戸型ポテンシャルの２つは、素反応ベースの化学反応解析ソフトウェアであるChemkin[7]用のパラメータである。
Figure 2 に検索画面を示した。

Table 1. Parameters included in a record of CCDB

1) Molecular Structure

2) Molecular Weight

3) Joback Method Boiling Point (K) / (℃)：沸点

4) Joback Method Critical Temperature Tc (K) / (℃)：臨界温度

5) Joback Method Critical Pressure Pc (bar) / (atm)：臨界圧力

6) Joback Method Critical Volume Vc (cm3/mol) ：臨界体積

7) Edmister Method omega(From Joback Parameter Acentric Factor)：偏心係数

8) Lee-Kesler Method omega(From Joback Parameter Acentric Factor)：偏心係数

9) Critical Compressibility Factor Zc ：臨界圧縮係数

10) Yen-Woods Method Density (g/cm3) ：密度

11) Reidel Method Vapor Pressure (mmHg) ：蒸気圧

12) Vetre Method Heat of Vaporization (at boiling point) (cal/mol)：蒸発熱

13) L-J Collision Diameter for Chemkin* (A) ：Chemkin*入力用衝突断面積

14) L-J Well Depth for Chemkin* (J/mol) ：Chemkin*入力用井戸型ポテンシャル

*http://www.cdaj.co.jp/product/chemkin/chemkin.html

Figure 2. Retrieval Window of CPDB on RIO-DB at AIST. (http://www.aist.go.jp/RIODB/cpdb/)

検索画面では、物性値を範囲で指定することが可能である。ここで、必要な物性量を指定して画面下方のSubmitボタンを押して検索を実行すると検索結果一覧（Figure 3）が示される。検索結果一覧は新しい画面が表示される。またこの検索画面では検索結果の表示件数を選択できる。
Figure 3に分子量を100-110と指定して検索を実行した結果一覧画面の一部を示した。検索結果は214件であり、そのうち番号が若い順からの最初の20件が示されている。ボタンをクリックすれば次のベージに移動可能であり、ページを指定すれば直接移動が可能である。

Figure 3. A part of the Result Window for a query of Molecular Weight 100-110

3 CPDBの利用例―　Molecular Miningツールとして　―

CPDBの利用例としてCPDBを用いたMolecular Miningの例を紹介する。我々は、物性推算式の応用として、Molecular Miningを提案している。通常の分子軌道計算や物性推算は、物質の構造を入力情報とし、物性値を出力情報とするものである。一方、Molecular Miningは、物性値を入力情報とし、物質を出力する。
CPDBを用いたMolecular Miningの一例として、パラキシレンの代替物質を探索してみた。パラキシレンの物性値は、沸点：411.4 [K]、臨界温度：617 [K]、臨界圧力：35 [bar]、臨界体積：378 [cm3/mol]である。以上の条件のもと、Molecular Miningを行なった。CPDBに含まれる探索対象物質258,907分子からパラキシレンの物性値に対応した分子を抽出すると、7分子にまで絞り込むことができた。　
CPDBの探査時間は、カリフォルニアのSanDiegoから通常のインターネットを経由して約10分であった。この時間はネットワークの混雑具合により大きく変動するため探査時間の一つの目安を与えるにすぎないが、作業量を見積もるための指標となる。　
Molecular Miningをプログラムを用いておこなうとする。分子の生成をJavaを用いた独自プログラムで行い、そして物性推算にはMolWorksを用いる事とする。これをOS：Linux kernel-2.4.7、CPU：Pentium Ⅲ 1GHz、Memory：PC133 512MBの計算機上で行うと、258,907分子の生成に約4分、258,907分子の物性推算に約20分、合計約25分必要であった。
今後急速な計算機性能の改善が予測され、計算時間の大幅な短縮が実現されるとはいえ、CPDB探査の有効性はなお大きい。
このように、Molecular Miningを利用することによって、短時間で大量の候補物質から少量の有力候補物質に絞り込むことができる。
本データベースがそういった研究に広く役立つよう、今後とも開発を継続していく。

本研究の一部は、産業技術総合研究所先端情報計算センター研究情報公開データベースRIODB開発プロジェクトの支援を受けている。

参考文献

[ 1] http://www.molworks.com
[ 2] Joback, K. G., Reid, R. C., Chem. Eng. Comm., 57, 233 (1987).
[ 3] http://www.aist.go.jp/RIODB/riohomej.html
[ 4] Edmister, W. C. and Lee, B. I., Applied Hydrocarbon Thermodynamics, vol. 1, Gulf Publishing Company Book Division, Houston (1983).
[ 5] Lee, B. I. and Kesler, M. G., A Generalized Thermodynamic Correlation Based on Three-Parameter Corresponding States, AIChE J., 21(3), 510-527 (1973).
[ 6] Riedel, L, Chemie-Ing., Techn., 26, 83 (1954).
[ 7] http://www.cdaj.co.jp/product/chemkin/chemkin.html

Return

1)	Molecular Structure
2)	Molecular Weight
3)	Joback Method Boiling Point (K) / (℃)：沸点
4)	Joback Method Critical Temperature Tc (K) / (℃)：臨界温度
5)	Joback Method Critical Pressure Pc (bar) / (atm)：臨界圧力
6)	Joback Method Critical Volume Vc (cm3/mol) ：臨界体積
7)	Edmister Method omega(From Joback Parameter Acentric Factor)：偏心係数
8)	Lee-Kesler Method omega(From Joback Parameter Acentric Factor)：偏心係数
9)	Critical Compressibility Factor Zc ：臨界圧縮係数
10)	Yen-Woods Method Density (g/cm3) ：密度
11)	Reidel Method Vapor Pressure (mmHg) ：蒸気圧
12)	Vetre Method Heat of Vaporization (at boiling point) (cal/mol)：蒸発熱
13)	L-J Collision Diameter for Chemkin* (A) ：Chemkin*入力用衝突断面積
14)	L-J Well Depth for Chemkin* (J/mol) ：Chemkin*入力用井戸型ポテンシャル

分子物性推算データベース: CPDB － 分子設計支援システム：MolWorksの開発 －