JPH0740271B2 - 化学反応情報の記録・検索方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の分野］ 本発明は、化学反応情報の記録・検索方法に関するもの
であり、さらに詳しくは、副反応を伴う化学反応につい
ての情報を記録し、検索処理する方法に関するものであ
る。

［発明の技術的背景］ 近年において、コンピュータの発達に伴ない、化学物
質、特に有機化合物の構造情報の記録方法について各種
の方法が提案され、利用されつつある。今日までに研究
され、解明された有機化合物および有機化学反応は膨大
な量にのぼるが、これらの既知の情報を有効に利用して
公知の化学物質または化学反応を短時間のうちに検索し
たり、さらには所望の特性を有する新規物質の合成方法
を見出すことが望まれている。そのためには、化学物質
および化学反応の表現形態として、技術者にとってその
構造的特徴を把握することが容易な従来の化学構造式の
代りに、コンピュータが処理できる（すなわち、コンピ
ュータが論理判断しうる）表現形態を開発し、利用する
ことが要求されている。

化学物質の記録方法としては、WLN（Wiswesser Linear
Notation）などの線型表記法および結合表による方法が
代表的なものであり、その詳細はたとえば、W.T.Wipke,
S.R.Heller,R.J.Feldmann,E.Hyde（Eds）：“Computer
Representation and Manipulation of Chemical Inform
ation"（John Wiley and Sons,New York,1974）［ウィ
プケ、ヘラー、フェルドマン、ハイド（編）：「化学情
報のコンピュータ表現および取扱い」（ジョン・ウィリ
ーアンドサンズ社）］に記載されている。結合表（conn
ection table）は、たとえば化学物質の構造式における
各原子の種類、それに結合する相手の原子および結合の
種類などを一覧表にまとめたものであり、上記の線型表
記法に比べて化学物質を原子単位で検索することができ
るとの利点がある。

また、化学物質の構造変化（化学反応）に関する情報を
記録する方法についても提案されているが、今までのと
ころ満足できる表現方法は知られていない。たとえば、
化学反応に関する情報を記録する方法として反応コード
による方法があり、具体的にはJ.Valls,O.Scheiner:“C
hemical Information Systems",E.Ash,E.Hyde（Eds），
（Ellis Horwood Limited,1975）p.241-258［バール、
シャイナー：「化学情報システム」、アッシュ、ハイド
編（エリス・ホアウッド社）］に記載された方法、M.A.
Lobeck,Angew.Chem.Intern.Ed.Engl.,9,578（1970）
［ロベック、アンゲバンテ・ヒェミー・インターナショ
ナル・エディション・イン・イングリッシュ］に記載さ
れた方法、およびH.J.Ziegler,J.Chem.Inf.Comput.Sc
i.,19,141（1979）［ジーグラー、ジャーナル・オブ・
ケミカル・インフォメーション・アンド・コンピューテ
ーショナル・サイエンス］に記載された方法などがあ
る。この方法では化学反応表現の観点が固定されている
ために、新しい化学反応が見い出された場合に記録でき
ないとの欠点がある。また、化学物質の構造情報とその
変化の情報とが別個の形態で記録されているので有効な
情報検索を行なうことができないとの欠点がある。

別に、化学物質の合成経路を設計する立場から案出され
た記録方法も知られている。たとえば、E.J.Corey,R.D.
Cramer,W.J.Howe,J.Am.Chem.Soc.,94,440（1972）［コ
ーリ、クラマー、ホウエ、ジャーナル・オブ・アメリカ
ン・ケミカル・ソサエティ］、I.Ugi,J.Bauer,J.Braud
t,J.Friedrich,J.Gasteiger,L.Jochum,W.Schubert,Ange
w.Chem.Intern.Ed.Engl.,18,111（1979）［ウギ、バウ
アー、ブラウト、フリードリッヒ、ガスタイガー、ジョ
ッチャム、シューベルト、アンゲバンテ・ヒェミー・イ
ンターナショナル・エディション・イン・イングリッシ
ユ］に記載された方法がある。しかしながら、この方法
は個々の化学反応を記録するのには適していない。

なお、本出願人は虚遷移構造および／または結合表を用
いて化学反応情報を記録保存する方法、また虚遷移構造
および／または結合表に図形処理もしくは演算処理を施
すことにより種々の部分構造を得る方法、さらにはこれ
らを用いて化学反応および反応に関与する物質構造など
を検索処理する方法について既に特許出願している（特
願昭60-177345号、同特願昭60-185386号、同60-197463
号、同60-203690号、同60-213184号、同60-221087号
等）。

［発明の要旨］ 本発明は、副反応を伴う化学反応について主反応の情報
と副反応の情報とを対応づけて、記録・検索するための
処理方法を提供することをその目的とするものである。

特に本発明は、主反応および副反応を含む化学反応の情
報について、コンピュータ処理による相互検索および表
示記録可能とするための処理方法を提供することをその
目的とするものである。

本発明は、少なくとも一つの出発物質から少なくとも一
つの生成物質を、少なくとも一つの副反応を伴って生ず
る主化学反応の出発物質の構造と生成物質の構造、そし
て副反応の出発物質の構造と生成物質の構造とをそれぞ
れトポロジカルに重ね合わせ、（１）出発物質および生
成物質に共通して存在するノード間の結合、（２）出発
物質のみに存在するノード間の結合および（３）生成物
質のみに存在するノード間の結合をそれぞれ区別して表
わす固有の符号を持つ主反応と副反応の結合表をそれぞ
れ作成する工程；上記工程で得たそれぞれ固有の符号を
持つ主反応と副反応の結合表を、コンピュータに付設さ
れた記録媒体に記録保存する工程；そして上記の記録保
存された結合表を利用してコンピュータでの処理を行な
うことにより、主反応と副反応とを対応付けて検索する
工程；を含む副反応が附随する化学反応情報の記録・検
索方法にある。

本発明の方法によれば、副反応を伴う化学反応の主反応
および副反応を表わす虚遷移構造から導かれた結合表そ
れぞれに番号などの固有の符号を付し、そしてこれらの
符号を相互に対応づけ、記録し、検索することにより、
該符号を介して主反応もしくは副反応に関する情報を随
時導き出すことができる。

なお、反応系において二種以上の反応が同時に生じる場
合（反応条件に応じて異なる反応が生じる場合も含まれ
る）に、主反応には一般的には収率の高い方もしくは容
易に反応が進む方が選ばれるが、いずれを主反応とする
かは一義的に決定できないことがあり、本明細書におい
ても一つの反応系のおいて二種以上の反応が生じうる場
合を前提としており、主反応と副反応の区別は相対的な
ものである。

上記の、虚遷移構造（imaginary transition structure
s、以下においてITSと略称する）とは、化学反応に関与
する物質の構造変化を、（１）出発物質のみに存在する
結合、（２）生成物質のみに存在する結合および（３）
両者に共通に存在する結合からなる三種類に区別して表
わした二次元もしくは三次元の構造図（図形）をいう。
この構造図は、化合物についての従来の構造式および三
次元的構造図に準じて技術者が視覚的になじみやすく、
また容易に理解できる形態で化学反応を表わすことがで
きるものである。

また、結合表（connection table）は、化学反応におけ
るノードの種類、該ノードに結合する相手ノードおよび
上記三種類に区別して表わしたこれらノード間の結合な
どの組合せからなる簡単かつ明瞭な一覧表であり、そし
てこの結合表は化学反応情報をたいして大きな容量を必
要とせずに記録媒体に蓄積保存することができるもので
ある。特に、登録形態として結合表を用いることにより
コンピュータによる情報の処理が容易となり、化学反応
の登録を簡便に行なうことができるためこれらの情報の
蓄積、管理が容易となる。

上記虚遷移構造および結合表において、化学反応は基本
的に原子、原子団などからなるノード（節、node）とノ
ードとの間の結合についての簡易な表現で表わされ、か
つ反応系におけるノード間の結合は上記三種類に区別し
て表わされている。従って、コンピュータに登録された
虚遷移構造および結合表は、化学反応のみならず反応に
関与する化学物質（反応の出発物質および生成物質等）
についての情報も包含している。

本発明においては、化学反応が主反応の他に同時に副反
応を伴う場合に、主反応および副反応の結合表（そして
虚遷移構造）それぞれに固有の識別符号が付され、これ
らの符号により主反応と副反応が相互に対応づけられ
る。すなわち、互いに一方の符号を他方に附随させるこ
とにより、あるいは管理テーブルなどの対照表を作成し
て各反応の符号を予め一括して対応させておくことによ
り、主副反応を対応づけることができる。

従って、化学反応情報を利用しようとする者は一つの反
応情報に加えてそれに附随する反応（副反応または主反
応）に関する情報をも容易に入手することができる。化
学反応が副反応を伴う場合であっても一方の反応のみな
らず、同時に生じる他の反応全ての情報を導き出すこと
ができ、引いては反応系についての情報を総合的に得る
ことができる。これにより、化学反応および物質の反応
性を包括的に理解することが可能となる。また、化学反
応情報をより広い角度から検索することが可能となり、
反応情報の検索がより一層容易となる。そして、反応情
報の利用性および汎用性を高めることができる。

固有の符号が付されて対応づけられた結合表（そして虚
遷移構造）はコンピュータに記録保存され、更には白紙
に記録したり、CRTなどの画面に表示することができ
る。また、対応づけられた主反応および副反応について
も一括してコンピュータへの記録保存および記録紙、CR
T等への表示記録を行なうことができる。

そして、登録された多数の反応情報に基づいて化学反応
に関する情報検索を短時間のうちに効率良く行なうこと
ができるため、技術者の個々の研究において情報の収
集、調査等に要する時間を短縮化し、かつ得られる情報
の密度を高めて、研究を効率的に進めることができる。

これらの利点に加えて、本発明の方法においては相互に
対応づけられた主副反応情報を利用することにより、薬
品製造等にたずさわる技術者にとって要望が大である化
学物質の構造解析、分子設計（molecular modeling）、
有機合成経路設計（heuristic analysis of organic sy
nthesis）を行なうことが可能である。さらに、化学物
質の部分構造検索、構造−活性相関、未知化合物の構造
自動決定、および複雑な化合物をある条件下で反応させ
た場合の反応機構および反応生成物の予測（mechanisti
c evaluation of organic reaction）などを短時間のう
ちに十分実用可能な範囲内で行なうことが可能である。

［発明の構成］ 本発明の副反応を伴う化学反応情報の記録・検索処理方
法においては、ノード間の結合を出発物質のみに存在す
る結合、生成物質のみに存在する結合および両者に共通
に存在する結合からなる三種類に区別して表わした結合
表（そして虚遷移構造）として記述されている化学反応
情報それぞれに固有の識別符号を付す操作、および主反
応の情報と副反応の情報をこれらの識別符号によって互
いに対応づける操作が行なわれ、これにより主副反応情
報が識別符号を介して一対一で対応づけられる。

以下に、本発明の方法をOrg.Synth.Coll.Vol.V,P.459に
記載されている反応を例に挙げて説明する。

この化学反応は、主反応： および、副反応： からなる二つの反応を含む。

各反応の虚遷移構造（ITS）はたとえば以下のように表
わすことができる。

反応式１に対応する虚遷移構造： 反応式２に対応する虚遷移構造： ここで、 出発物質および生成物質に共通して存在する結合を表わ
し、 出発物質にのみ存在する結合を表わし、そして iii）記号…は、生成物質にのみ存在する結合を表わし
ている。

すなわち、虚遷移構造（ITS）とは、出発物質の構造と
生成物質の構造とをトポロジカルに重ね合わせて、各ノ
ード間の結合を上記ｉ）〜iii）の三種類で区別した二
次元もしくは三次元の構造をいう。なお、『トポロジカ
ルに重ね合わせる』とは具体的に、出発物質の構造に現
れるノードと生成物質の構造に現れるノードとを一致さ
せてこれらの構造を一つに組み合わせることをいう。

上記の虚遷移構造（ITS）において、化学反応に関与す
る物質のノードは、原系（出発物質群）および生成系
（生成物質群）に含まれる原子を単位として表わされて
いてもよいし、あるいはメチレン基［ITS1におけるノー
ド（１）、（３）］、メチン基［上記ノード（４）、
（５）］のような官能基などの原子団単位で表わされて
もよい。また、化学反応を表現するに際して、原系およ
び生成系に現れるノードが一部省略して表わされていて
もよい。

また、三種類の結合の区別は上記ｉ）〜iii）のような
記号による表示に限定されるものではなく、たとえば数
字（１、２、３）等の簡単な文字による表示、あるいは
色彩（黒色、赤色、緑色）による色分け表示など利用者
が五感により判断でき、かつコンピュータ処理が可能で
ある限り、いかなる手段が用いられていてもよい。

以下本明細書において、 ｉ）出発物質および生成物質に共通の結合 を『無色の結合』または恒結合（par-bond）と呼び、 ii）出発物質にのみ存在する結合 を『出結合』（out-bond）と呼び、 iii）生成物質にのみ存在する結合（記号…）を『入結
合』（in-bond）と呼び、 そして、出結合と入結合とを総称して『有色の結合』と
呼び、また虚遷移構造に現れるこれら三種の結合を総称
して『虚結合』と呼ぶことにする。

具体的に、虚遷移構造に現れる結合の種類を第１表にま
とめて示す。なお、第１表において横の数値は結合の出
入の指標を意味する。

第１表において、たとえば記号『…』で表わされた結合
は単入結合（single in-bond）であって、一対の数字
（０＋１）で表わすことができる。ここで、０は反応前
の原系において結合が存在しないことを意味し、＋１は
反応後の生成系において単結合が生じていることを意味
する。同様にして、 で表わされた結合は単出結合（single out-bond）であ
って（１−１）で表わし、反応前の原系において単結合
が存在するが反応後の生成系において単結合が消滅して
いることを意味する。また、（２−１）で表わされる結
合は単出の二重結合（double bond singly cleaved）で
あり、 で表記される。

このように結合の種類はまた、一対の数字：（a,b）
［ただし、ａは出発物質における結合多重度を表わす整
数であり、ｂは化学反応における結合多重度の変化を表
わす整数である］ で表わすことができ、これを『複素結合数』（complex
bond number）または『虚多重度』（imaginary multipl
icity）と呼ぶことにする。なお、（a,b）の表記のうち
コンマ（，）は省略してもよい。この表記によれば、結
合多重度が二以上であっても簡潔に表わすことができ
る。また、記憶容量をそれほど必要としなく、かつ直接
にコンピュータ処理が可能である点で化学反応の記録保
存に特に好ましいものであり、以下に述べる結合表の作
成に際して好適に用いられる表現方法である。

虚遷移構造にはさらに、ITS1および２に示したように、
反応に関与する物質についての関連情報（『単位情報項
目』と称する）に対応する識別符号が付されていてもよ
い。

ここで、反応に関与する物質とは具体的に出発物質、生
成物質および触媒を意味する。また、単位情報項目とは
これらの物質の分子式、名称、重量、容量、モル数、純
度、物性（融点、沸点、比重等）、スペクトル情報、立
体化学、さらに生成物質の場合には収率などを意味す
る。なお、触媒をITS中に記述しない場合には単位情報
項目に触媒を含ませることができる。

単位情報項目についての識別符号には、たとえば［−
１］、［−１］、［＃１］などの記号が用いられる。こ
こで、『−』は出発物質を、『＋』は生成物質を、
『＃』は触媒を意味し、二種以上の出発物質（または生
成物質または触媒）について単位情報項目を対応づける
場合には通し番号が付される。

具体的に、上記ITS1および２にそれぞれ識別符号［−
１］、［−２］および［＋１］を付し、一方、出発物質
の単位情報項目として無水マレイン酸の重量500gに符号
［−１］を対応させ、アレンの重量100gに符号［−２］
を対応させる。また、ITS1の符号［＋１］には化合物１
の収率19〜23％を対応させ、1ITS2の符号［＋１］には
化合物２の収率７〜９％を対応させる。

この識別符号は、ITS1および２に示したように各物質中
で反応の核となるノード（アレンにおけるノード（２）
Ｃ、無水マレイン酸におけるノード（５）CH等）に附随
させる以外に、反応の核となる結合に附随させてもよ
い。

なお、単位情報項目に対応する識別符号の付設について
は、本出願人による特願昭62-30854号［昭和62年２月12
日出願（１）］明細書に詳細に記載されている。

また、上記虚遷移構造および結合表について、原系およ
び生成系を抽出する操作［それぞれ、『原系への投影』
（projection to the starting stage、PSと略称す
る）、『生成系への投影』（projection to the produc
t stage、PPと略称する）］を行なうことにより、出発
物質の構造および生成物質の構造に関する情報を得るこ
とができる。

PS操作は、以下にITS1および２について示すように、虚
遷移構造から入結合（記号…）を無視して出結合 を恒結合とみなす操作であり、PP操作は、虚遷移構造か
ら出結合を無視して入結合を恒結合とみなす操作であ
る。PS操作およびPP操作の詳細については前記特願昭60
-185386号明細書に記載されている。

なお、単位情報項目についての識別符号は、上記のよう
にPSおよびPP操作により得られる出発物質および生成物
質に付してもよし、あるいはPSおよびPP操作自体と対応
づけられていてもよい。

化学反応はまた、各ノード、該ノードに結合する結合相
手のノードおよび該ノード間の結合に関する情報を含む
結合表（connection table）として表わすことができ
る。

上記反応式１および２で表わされる主反応および副反応
の結合表を第２表および第３表にそれぞれ示す。

第２表および第３表に示すように、結合表は各反応に関
与する原系（出発物質群）および生成系（生成物質群）
について、全てのノード、各ノードに結合する全てのノ
ードおよびこれらノード間の結合の種類がノード番号順
に記載された一覧表である。

結合表にもまた、反応に関与する物質についての単位情
報項目に対応する識別符号が付されていてもよい。第２
表および第３表では、ノードに出発物質および生成物質
それぞれについての識別符号（−１、−２、＋１、）が
付されている。結合表に付す場合にも、前記と同様に識
別符号はこれらの記号に限定されるものではなく、また
ノード以外に結合などに付すこともできる。

なお、反応の虚遷移構造に基づいて結合表を作成するこ
とが可能であり、逆に結合表が各ノードの位置情報を含
んでいる場合には結合表から虚遷移構造を作成すること
ができる。換言すれば、虚遷移構造と結合表とは、化学
反応情報の登録および表示形態として表裏一体の関係を
なすものと言える。結合表には、各ノードの位置座標等
に関する入力情報は併記されていてもよい。

さらに、上記虚遷移構造および結合表にITS1、ITS2、…
などの符号を付し、一方、該化学反応が記載されている
文献名、著者名、反応名などの書誌；および反応条件
（温度、時間、雰囲気、反応相、エンタルピー、副生成
物の有無等）、精製条件（蒸留、水蒸気蒸留、再結晶、
抽出等）、害毒などの処方に関する情報（『書誌／処方
項目』とも称する）にもDATA1、DATA2、…などの符号を
付し、かつ互いに一方の符号を他方に附随させることに
より、あるいは管理テーブルなどの対照表を作成して両
者の符号を予め一括して対応させておくことにより、両
者を対応づけてもよい。

具体的に、上記反応式１および２で表わされる反応の文
献名にDATA1を付して、このDATA1をITS1およびITS2に附
随させることができる。

なお、書誌／処方項目との対応づけについては、本出願
人による特願昭62-30855号［昭和62年２月12日出願
（２）］明細書に詳細に記載されている。

このように、結合表に単位情報項目に対応する識別符号
を付すことにより、さらには書誌／処方項目と対応づけ
ることにより、化学反応情報をより一層包括的に理解
し、利用することがきる。

次に、上述した結合表には反応ごとに固有の識別符号が
付される。

たとえば、上記反応式１および２で表わされる反応にお
いては、主反応を表わすITSおよび結合表に001なる番号
を付し、副反応を表わすITSおよび結合表に002なる番号
を付す。識別符号は、このように単に数字の組合せから
なる番号であってもよいし、あるいはコンピュータが判
読可能である限り任意の数字、文字、その他の記号また
はこれらの組合せであってもよい。一連の主副反応には
通し番号を付すのが好ましい。

各反応の虚遷移構造および結合表は、これらの固有の符
号を用いて相互に対応づけられる。反応の対応づけはた
とえば、上記ITS1に副反応としてITS2の番号002を附随
させ、ITS2に主反応としてITS1の番号001を附随させる
ことにより行なうことができる。あるいは、別にこれら
の番号と番号とを直接に対応づけた管理テーブルなどの
一種の対照表を作成することにより対応づけることがで
きる。

このように、一連の主反応および副反応間で互いに対応
をつけておくことにより、化学反応情報を検索する際に
一つの反応が見い出されれば（ヒットすれば）、同一反
応系で生じうる残りの全ての反応（副反応または主反
応）の結合表（そして虚遷移構造）を導き出すことがで
きる。

一例として、上記化合物１を探索目標として検索したと
きに、PS操作による対応づけにより主反応（ITS1）が見
い出され（ヒットし）、ITS1の番号001とITS2の番号002
との対応づけにより副反応（ITS2）が得られる。さら
に、ITS2へのPP操作による対応づけにより化合物２が副
生成物であることが判明する。そして、ITS1および２の
識別符号［＋１］から、主生成物の収率19〜23％および
副生成物の収率７〜９％が検索される。

このように固有の識別符号が付されて相互に対応づけら
れた結合表（そして虚遷移構造）のコンピュータへの登
録は、コンピュータ内の主記憶装置に記録保存すること
により行なってもよいし、あるいは適当な記録媒体（磁
気ディスク、光ディスク、磁気テープなど）を介して記
録保存してもよい。管理テーブルを作成した場合にはこ
の管理テーブルもまた別個に記録保存される。

登録されたこれらの主副反応情報は一つの反応の情報に
基づいて随時、直ちに導き出すことができ、一連の反応
は一緒にあるいは別々に、適当な記録装置によりプレイ
ンペーパーなど各種の記録材料上に記録したり、あるい
はコンピュータや電子機器に接続したカラーブラウン管
などに表示（グラフィックディスプレイ）することがで
きる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一つの出発物質から少なくとも
   一つの生成物質を、少なくとも一つの副反応を伴って生
   ずる主化学反応の出発物質の構造と生成物質の構造、そ
   して副反応の出発物質の構造と生成物質の構造とをそれ
   ぞれトポロジカルに重ね合わせ、（１）出発物質および
   生成物質に共通して存在するノード間の結合、（２）出
   発物質のみに存在するノード間の結合および（３）生成
   物質のみに存在するノード間の結合をそれぞれ区別して
   表わす固有の符号を持つ主反応と副反応の結合表をそれ
   ぞれ作成する工程； 上記工程で得たそれぞれ固有の符号を持つ主反応と副反
   応の結合表を、コンピュータに付設された記録媒体に記
   録保存する工程；そして 上記の記録保存された結合表を利用してコンピュータで
   の処理を行なうことにより、主反応と副反応とを対応付
   けて検索する工程； を含む副反応が附随する化学反応情報の記録・検索方
   法。
2. 【請求項２】上記主反応の結合表の固有の符号と、副反
   応の結合表の固有の符号ととを対応させた管理テーブル
   を作成して、主反応および副反応の結合表間で対応をつ
   ける工程を含む特許請求の範囲第１項記載の副反応が附
   随する化学反応情報の記録・検索方法。
3. 【請求項３】上記結合表中のノード間の結合を一対の数
   字（a,b）［ただし、ａは出発物質における結合多重度
   を表わす整数であり、ｂは化学反応における結合多重度
   の変化を表わす整数である］によって区別して表わす特
   許請求の範囲第１項記載の副反応が附随する化学反応情
   報の記録・検索方法。