自动合成化学的进展

最近化学领域，特别是有机合成领域，讨论最热烈的话题莫过于实验室机器人什么时候可以取代bench chemist和人工智能什么时候可以取代大部分的有机合成路线设计人员。需要注意的是，大家对于这两个问题的实现都没有任何争议，争议的仅仅是什么时候可以实现。当然这两个都是十分复杂的问题，并且是一个渐进的过程，我想到目前为止没有任何一个人可以给出一个确切的时间表。由于在之前我们已经讨论过人工智能在化学领域中的应用，今天我们就来看看另一个问题，实验室智能机器人，或者说是自动化合成的发展现状。

进入工业化时代以来，人类的社会分工和流水线生产大大提高了生产效率。但是由于人作为一个生物体，存在体能的极限，所以其所能提供的劳动资源是有限的。在生产分工进行到极致之后，那么要想进一步提高工作效率，最简单有效的方式就是引入机器人来解决人体能的限制因素。事实上，工业很多的简单的重复性的劳动已经被工业机器人取代了，例如广泛应用于汽车整车及汽车零部件、工程机械、轨道交通、低压电器、电力、IC装备、军工、烟草、金融、医药、冶金及印刷出版等众多行业。相比较而言，有机合成变量比较多，是一类比较复杂的工作，所以机器人参与的速度比较慢。目前机器人已经参与的到的领域主要是化合物分离和分析这一部分，比如说HPLC和NMR的自动进样装置。

如果对有机合成进行详细分解的话，大概可以分为反应的路线设计，反应试剂的准备，反应的投料和反应装置，反应后处理和反应产物的纯化和表征。在这些过程中，其中短期内难以被机器取代的是反应试剂的准备和反应的后处理，主要是因为化学反应的试剂种类成千上万，难以实现标准化；反应的后处理问题更加复杂，这需要根据化合物的性质和反应结果进行实时的调整，这一点机器也不太容易做到。

事实上，目前自动化生产也主要是针对反应的投料和反应的装置。目前发展比较成熟的是流体化学，这可以实现多步反应的不间断进行。不过流体化学对于反应的要求比较高，主要是用来解决工业化生产的问题。例如日本东京大学Shu Kobayashi教授就成功的应用流体化学技术实现了(R)- and (S)-rolipram的工业化合成。

英国Glasgow大学的Leroy Cronin则实现了反应的投料和反应装置和反应后处理的自动化，并实现了若干药物分子的合成（如下图，https://cen./physical-chemistry/computational-chemistry/ Software-directs-automated-synthesis/96/web/2018/11）。这对于自动合成是一个很大的进步。

更进一步，MIT的Timothy Jamison则尝试借助人工智能将反应的路线设计，反应试剂的准备，反应的投料和反应装置，反应后处理和反应产物的纯化和表征全部整合到一起。在不计成本的条件下，这可以算是实现了有机合成的完全的自动化。只需要在电脑上属于目标分子，这个系统就可以完全自主的合成。

总的来说，在目前的技术条件下，实现自动合成并不存在难题。但是由于有机合成的复杂性，想要在实验室大规模退广则依然困难重重。相比较而言，还是实验室的研究生和博士后比较便宜好用。：-）