自主實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)(autonomous-laboratory)能夠加快化學(xué)合成和化學(xué)發(fā)現(xiàn)，但是目前的自主實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仍然需要依賴自動(dòng)化測(cè)試和有經(jīng)驗(yàn)和可靠的決策。大多數(shù)的自主實(shí)驗(yàn)室都使用了專門的自動(dòng)化設(shè)備，其中的反應(yīng)操作過(guò)程需要一系列表征技術(shù)，而且決策算法需要在比較狹窄的數(shù)據(jù)空間內(nèi)進(jìn)行。相比的人工實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴褂枚鄻踊膬x器和表征技術(shù)，而且人工決策很少根據(jù)單次測(cè)試進(jìn)行決策。有鑒于此，利物浦大學(xué)Andrew I. Cooper教授等報(bào)道采用移動(dòng)式機(jī)器人將合成實(shí)驗(yàn)室與自主實(shí)驗(yàn)室集成，而且機(jī)器人能夠以人類操作和決策方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。構(gòu)筑的模塊化工作流程包括了移動(dòng)機(jī)器人、自動(dòng)化合成平臺(tái)、液相色譜、臺(tái)式核磁共振譜儀，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與人類研究者一起工作。啟發(fā)式?jīng)Q策者(Heuristic Decision Maker)能夠處理正交測(cè)試數(shù)據(jù)、選擇成功的反應(yīng)進(jìn)行下一步操作，自主檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否可重復(fù)。作者通過(guò)有機(jī)分子結(jié)構(gòu)衍生化、超分子主客體化學(xué)、光化學(xué)合成三個(gè)方面展示了這種自主機(jī)器人的工作。這項(xiàng)研究適用于能夠有可能生成多種產(chǎn)物的體系（比如超分子組裝）。此外，作者通過(guò)評(píng)價(jià)主客體結(jié)合情況，將這個(gè)方法拓展用于自主功能分析的場(chǎng)景。 圖1. 模塊化機(jī)器人工作流程和啟發(fā)式反應(yīng)設(shè)計(jì)將平臺(tái)劃分為物理上分離的合成和分析模塊，使用機(jī)器人輸送樣品和進(jìn)行樣品操作，由于機(jī)器人能夠自由移動(dòng)，因此實(shí)驗(yàn)裝置能夠放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的任意空間。使用商業(yè)化的Chemspeed ISynth合成器作為合成模塊，通過(guò)UPLC、MS、NMR表征技術(shù)監(jiān)控反應(yīng)的進(jìn)行情況。重要的一點(diǎn)是，這個(gè)設(shè)計(jì)能夠允許儀器與其他工作流程共享，或者在其處于非工作狀態(tài)下，允許人類研究人員使用。化學(xué)合成完成之后，ISynth合成器將每個(gè)反應(yīng)混合物的一部分進(jìn)行重新格式化，處理好的測(cè)試樣品用于MS和NMR分析。測(cè)試分析之后，使用移動(dòng)機(jī)器人處理樣本并將其運(yùn)送到適當(dāng)?shù)膬x器。測(cè)試數(shù)據(jù)過(guò)程通過(guò)設(shè)置好的Python腳本自動(dòng)進(jìn)行，測(cè)試得到的數(shù)據(jù)保存到中央數(shù)據(jù)庫(kù)。在合成-分析的每個(gè)循環(huán)過(guò)程結(jié)尾，通過(guò)啟發(fā)式的決策程序制訂下一輪操作。以往文獻(xiàn)報(bào)道自主實(shí)驗(yàn)室的問(wèn)題。之前的自主實(shí)驗(yàn)室通常需要使用化學(xué)盲優(yōu)化方法（chemistry-blind optimization），但是這種盲目?jī)?yōu)化方法在處理催化反應(yīng)活性和催化反應(yīng)收率的過(guò)程中非常困難，因此作者為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了比較“寬松的”啟發(fā)式?jīng)Q策。整個(gè)平臺(tái)通過(guò)主計(jì)算機(jī)上的控制軟件進(jìn)行操作，該軟件協(xié)調(diào)指定的工作流程。通過(guò)多樣化合成進(jìn)行結(jié)構(gòu)衍生化 在藥物發(fā)現(xiàn)合成領(lǐng)域，分子庫(kù)合成的設(shè)計(jì)-制備-測(cè)試-分析過(guò)程是個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)，不過(guò)人們發(fā)現(xiàn)并行的合成能夠解決這個(gè)問(wèn)題。常見(jiàn)的合成過(guò)程可能包括首先合成幾種常見(jiàn)的反應(yīng)物分子，隨后對(duì)相關(guān)反應(yīng)物進(jìn)行大批量合成，隨后應(yīng)用于衍生化轉(zhuǎn)化合成過(guò)程。作者在開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化合成平臺(tái)上嘗試這種衍生化轉(zhuǎn)化，整個(gè)過(guò)程包括自主發(fā)散多步驟合成，并且除了添加試劑之外，沒(méi)有任何人為干預(yù)。嘗試了兩種正交衍生化反應(yīng)：Sonogashira交叉偶聯(lián)反應(yīng)（炔烴和2-溴吡啶）、Cu催化環(huán)加成反應(yīng)（疊氮化合物-炔烴的環(huán)加成反應(yīng)）。通過(guò)兩個(gè)方面進(jìn)行反應(yīng)的決策：起始原料是否發(fā)生改變、UPLC測(cè)試結(jié)果的主要測(cè)試產(chǎn)物是否與目標(biāo)產(chǎn)物一致。并且，將測(cè)試結(jié)果的m/z數(shù)據(jù)以及1H NMR與算法進(jìn)行匹配，隨后當(dāng)樣品的數(shù)據(jù)在1H NMR和UPLC-MS都與目標(biāo)產(chǎn)物吻合，才可以進(jìn)行隨后的放大量合成。通過(guò)這種自主決策機(jī)制，自主合成體系能夠連續(xù)運(yùn)行四天，在該過(guò)程中，研究者僅僅需要的操作是添加反應(yīng)所需要的試劑。圖3. 機(jī)器自主發(fā)現(xiàn)超分子主客體體系超分子合成對(duì)于自主合成機(jī)器人平臺(tái)是個(gè)比較大的挑戰(zhàn)。超分子合成是探索自組裝過(guò)程如何構(gòu)成分子主體。通常超分子反應(yīng)過(guò)程生成一系列產(chǎn)物，而且有時(shí)候生成的是多種物質(zhì)的混合。通常，研究主客體體系需要研究者大量的重復(fù)嘗試實(shí)驗(yàn)。 開(kāi)發(fā)的自主化學(xué)合成平臺(tái)非常適合加快主客體材料的發(fā)現(xiàn)的工作。在研究主客體化學(xué)的過(guò)程中，作者使用正交分析技術(shù)進(jìn)行耦合，并且預(yù)期在測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生“意外現(xiàn)象”。作者設(shè)計(jì)的算法沒(méi)有限定特定信號(hào)的消失或者出現(xiàn)，而是從篩選階段對(duì)1H NMR信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)是否發(fā)生對(duì)應(yīng)于形成對(duì)稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的反應(yīng)，并且通過(guò)結(jié)合m/z測(cè)試分析（測(cè)試的m/z與事先計(jì)算的符合構(gòu)筑單元和金屬-配體成鍵規(guī)則符合的情況對(duì)應(yīng)的m/z）。篩選發(fā)現(xiàn)可能的情況后，對(duì)ISynth平臺(tái)6次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)的可靠性。此外，將工作流與輸性篩選結(jié)合，測(cè)試合成的產(chǎn)物對(duì)客體分子的組裝性質(zhì)，并且確定能夠結(jié)合的客體分子。這個(gè)過(guò)程中，人類研究員只需要在工作流程開(kāi)始之前設(shè)置參數(shù)即可。這種自主合成實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺掷m(xù)運(yùn)行3天。通過(guò)研究三個(gè)羰基吡啶化合物（24-26）和三個(gè)有機(jī)胺（27-29）在金屬離子（Cu+或Zn2+）存在下的組裝實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證這種自主實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠用于尋找可能的主客體材料，在18個(gè)可能的羰基吡啶-有機(jī)胺結(jié)合物中發(fā)現(xiàn)2個(gè)羰基吡啶-有機(jī)胺-金屬?gòu)?fù)合物。分別是目前已知的主客體籠[Zn4(243,28)4]8+和金屬-有機(jī)螺旋[Zn2(242,29)3]4+。隨后進(jìn)一步研究這兩個(gè)羰基吡啶-有機(jī)胺-金屬?gòu)?fù)合物的空腔結(jié)合客體分子的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)主客體籠[Zn4(243,28)4]8+能夠與3個(gè)客體結(jié)合，金屬-有機(jī)螺旋[Zn2(242,29)3]4+沒(méi)有結(jié)合客體的功能，這種主客體結(jié)合研究的結(jié)果與報(bào)道結(jié)果相符。自動(dòng)化平臺(tái)具有模塊化和靈活性的優(yōu)勢(shì)，能夠方便的將其他模塊進(jìn)行集成到工作流程。比如ISyth平臺(tái)能夠與商業(yè)光反應(yīng)器集成，將商業(yè)光反應(yīng)器作為外加的遠(yuǎn)程模塊，事先自主研究光化學(xué)合成。通過(guò)自主機(jī)器人平臺(tái)研究N-(叔丁氧羰基)-脯氨酸轉(zhuǎn)化為亞芐基二乙酯的脫羧加成反應(yīng)。ISynth平臺(tái)進(jìn)行惰性反應(yīng)條件處理，并且添加試劑和溶劑，隨后在氮?dú)鈿夥辗庋b，轉(zhuǎn)移到離線的光反應(yīng)器平臺(tái)進(jìn)行光催化反應(yīng)。反應(yīng)后再使用ISynth進(jìn)行樣品標(biāo)準(zhǔn)化處理，用于UPLC-MS測(cè)試。由于存在非對(duì)映體和旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體，因此不使用1H NMR表征，而是使用UPLC-MS表征。催化劑篩選結(jié)果發(fā)現(xiàn)三個(gè)光催化劑，分別是4CzlPN、[Ir(dtbbpy)(ppy)2]PF6、 (Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy))PF6能夠生成脫羧加成反應(yīng)產(chǎn)物。另外三個(gè)常見(jiàn)的光催化劑eosin Y、氮化碳、2,4,6-四氟硼酸三苯基吡啶鎓鹽無(wú)法生成產(chǎn)物。 Dai, T., Vijayakrishnan, S., Szczypiński, F.T. et al. Autonomous mobile robots for exploratory synthetic chemistry. Nature (2024).DOI: 10.1038/s41586-024-08173-7https://www.nature.com/articles/s41586-024-08173-7
