Chemputer药物自动合成计算机系统 Chemputer药物自动合成计算机系统 Tim Adams通常情况下，复杂的有机化合物是在实验室中经手工操作而成，可是由于在化合物科学文献中，许多反应步骤并没有特别准确的描述或者某些细节被人们忽略，最后导致一些合成步骤难以复制。近日，《科学》杂志在线发布了英国格拉斯哥大学Leroy Cronin教授发明成果——Chemputer： 化学编程语言驱动的模块化自动合成机器。研究人员表示，Chemputer允许全世界的化学家将他们的配方转变成数字化密码，进而可以在线...
Tim Adams
通常情况下，复杂的有机化合物是在实验室中经手工操作而成，可是由于在化合物科学文献中，许多反应步骤并没有特别准确的描述或者某些细节被人们忽略，最后导致一些合成步骤难以复制。
近日，《科学》杂志在线发布了英国格拉斯哥大学Leroy Cronin教授发明成果——Chemputer： 化学编程语言驱动的模块化自动合成机器。研究人员表示，Chemputer允许全世界的化学家将他们的配方转变成数字化密码，进而可以在线下载分享给其他人，就像下载音乐一样廉价和便捷。
实验中Chemputer 自动化系统，在无任何人为干预的情况下成功地合成了3种常用药物分子：盐酸苯海拉明（diphenhydraminehydrochlorid），卢非酰胺（rufinamide）和西地那非（sildenafil），三者的产率和纯度都堪比人工合成。
Chemputer系统由不同的模块构成，包括反应模块、内部过滤模块（可加热或冷却）、自动化的液-液分离模块以及溶剂蒸发模块，将化学合成的不同过程分成图标化的模块。当然，合成化学物质不可能凭空制造——整个化学合成过程不仅需要Chemputer软件，同时也需要一些物理设备：瓶装试剂、圆底烧瓶、过滤和液-液分离装置、旋转蒸发器，以及输送化学品的管道、阀门和泵。Leroy教授将文献中的合成方法和步骤指令输入到适合自动化的步骤，合成步骤被转换为数字代码，并可以在平台之间灵活地发布且无需修改，进而大大提高了重复性和复杂分子的合成率。
接下来，研究人员通过开发控制软件，在后续反应步骤中自动清洗和重复使用硬件模块，完成了一个从独立单元操作，到组合完整的多步骤合成过程，最终用于实验室规模的有机合成。为确保Chemputer的正常运行，必须将定义、控制输入、反应器和输出等过程进行编程。由此，Chemputer特定指令程序生成。从抽象层面来讲，它可以运行用于控制模块化平台的命令，这样就可以将 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 面方案转换为特定的代码进行模块运行。接下来，每个模块都配置驱动程序，以及标准化的应用程序编程接口（API），将指令集输送到Chemputer中。
在Chemputer系统中，连接模块的物理路径被称为GraphML（一种开源 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 ），它使得有机化学物找到在源烧瓶和目标烧瓶之间的路径，以及容器的熱板搅拌器等地址设备。GraphML是一种可扩展标记语言的交换格式。而合成程序则使用Chemical Assembly （ChASM）的脚本语言编写，这种语言为所有当前实现的机器操作提供指令，并支持函数和变量的定义。
为有效控制化学反应，Chemputer被设计为接受ChASM语音命令，比如“开始搅拌反应器”，并在GraphML中找到指令中的模块。ChASM代码可以与系统特定的GraphML文件自由配对，如果在另一个不同的平台上合成相同的产品，系统就无需再重新优化。为了把实验步骤转化为泵和搅拌器的指令，使用者提供类似于将实验方案转化为合成模式的文本形式。发表的实验方案或者实验记录本上的操作步骤先转化为较易理解的化学描述语言（XDL），然后再转化为机器可读的ChASM命令。
接下来，ChASM和GraphML文件都传给Chemputer， Chemputer下达指令，利用两方面的信息来控制实验仪器，高效地完成合成过程。由于这些单元操作并不总是以相同的顺序进行，尤其是在涉及多步合成的情况下，需要灵活地移动模块之间材料。为此，Leroy教授及团队在流体主干周围建立了物理结构，包括一系列注射泵和六通阀。这种设计的优势在于它是可扩展的：使用者可以随时在骨架的末端添加更多的泵单元。基于这一结构，研究人员们还进一步开发了混合、过滤、液/液分离、蒸发和色谱分离等操作模块，这些模块都是实际应用化学反应合成中的关键步骤。
总体来说，实验室规模的化学合成自动化将是未来的科技发展趋势，这项研究真正在有机化学自动合成领域迈出了重要的一步。除此之外，在整合科学文献的合成描述步骤和化学合成语言标准化的基础上，提出并有效验证了一个可行的自动合成机器，包括软硬件的配置和组装。而另一大优势是，Chemputer系统与传统的实验室操作相结合的合成操作，很适合编程基础较差的合成工作者。此外，研究人员全部使用了传统的实验室器具，模块部件的总成本低于1万美元，也就意味着这一系统如果可以进一步优化升级，将很有可能惠及有机化学圈。
不可否认的是， Chemputer系统还处于初级研究阶段，仍有许多不足之处有待解决。比如研究中选取的这3个药物分子，合成路线都相对较短而且分离较为简单，而实验展示的分离技术绝大部分只涉及萃取分离，而在相对副反应较多的步骤中，则很难实现研究人员所描述的如此高纯度的分离效果。并且像LC-MS、NMR、IR这些分析技术在文中也没有提及，说明这些步骤只能是最后优化好后，才可以用Chemputer系统来重复操作。
研究人员表示，通过Chemputer系统的数字化合成，在未来有望推动药品研发领域的变革性发展。药品研究者们可以通过一个简单的App完成新分子与新药物的开发与制备。世界偏远地区的专业人员在必要的情况下，可以制备救命的药物，可以非常容易地共享到最新研发的药物分子，用于创新疗法的研究，也期待未来的Chemputer系统创造出更多的可能性。
编译自《科学》杂志
（责任编辑 姜懿翀）
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