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化学科研从“自动化”到“智能化”

放大字体??缩小字体 发布日期:2019-08-27??浏览次数:18
核心提示:自动合成系统
?70年代问世的自动化学合成系统
70年代问世的自动化学合成系统

大约在1960-1970年间,由电脑控制的自动合成机器已经问世了。它们对于单一的化学反应可以自动完成加料,搅拌,加热/冷却,回流等操作。在随后10-20年的发展中,随着芯片、计算机以及精密机械制造的快速发展,反应条件的高通量筛选、粗品的纯化、产物的表征等各个功能模块被逐步整合进自动化学合成系统。比如1999年问世的自动合成系统可以完成下面流程图的实验;
自动合成系统流程图
自动合成系统
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进入21世纪后,在化学领域,“深度学习”革命最先应用的领域是小分子设计,比如预测小分子的活性结合位点、人工智能合成路线规划以及逆向分子设计。如下表所示,人们利用蒙特卡罗算法、遗传算法等各种算法开发出了具有学习能力的软件。
人工智能合成路线规划以及逆向分子设计

当机械自动化和人工智能算法发展到一定程度后,两相结合就会诞生“自主发现系统(Autonomous Discovery Systems)”,也就是说算法程序将自动根据实验结果调整实验方案并不断迭代直到获得预设目标。当我们还在用人工去探索反应的时候,有的研究团队已经把这部分工作交给了机器。相关的例子有很多,有代表性的一些介绍。
自主发现系统(Auto<em></em>nomous Discovery Systems)

Lee Cronin团队开发的“有机合成系统”,能够完成化学反应,连接NMR、IR、MS等分析设备进行实时反馈,并根据由专家经验生成的算法调整反应条件,能够自主探索1000种反应组合的反应活性(Nature, 2018, 559, 377)。
有机合成系统

Steven Ley团队开发的用于控制流合成的软件系统LeyLab software不但可以完成反应还能实现自动的多维度反应参数优化,甚至还能让全球研究人员进行“云合成”(Org. Process Res. Dev., 2016, 20, 386)。
控制流合成多维度反应参数优化系统LeyLab software

Klavs F. Jensen团队开发的系统不但能进行反应条件的自动优化,还增加了内部可替换模块从而解决了连续流合成的一个主要缺陷。利用该系统可以完成许多步骤多种类的化学反应,包括C-C成键和C-N成键的偶联、还原胺化、芳基亲核取代、光还原催化等(Science, 2018, 361, 1220)。
反应条件自动优化内部可替换模块化学反应系统

原文
Autonomous Molecular Design: Then and Now
Tanja Dimitrov, Christoph Kreisbeck, Jill S. Becker, Alán Aspuru-Guzik, Semion K. Saikin
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 24825-24836, DOI: 10.1021/acsami.9b01226
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