有關(guān)化學(xué)合成的文獻(xiàn)數(shù)量快速增長；然而，實驗室之間共享和評估新流程需要很長時間。

在此，來自加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)（UBC）和英國格拉斯哥大學(xué)的研究團(tuán)隊，提出了一種方法，使用通用化學(xué)編程語言（χDL）在兩個實驗室的四種不同硬件系統(tǒng)上編碼和執(zhí)行各種化學(xué)反應(yīng)的合成程序，包括還原胺化、成環(huán)、酯化、碳-碳鍵形成和酰胺偶聯(lián)。每個反應(yīng)大約有 50 行代碼，所提方法使用抽象來有效地壓縮化學(xué)協(xié)議。

不同的機(jī)器人平臺始終如一地產(chǎn)生預(yù)期的合成，每步產(chǎn)量高達(dá) 90%，從而實現(xiàn)更快、更安全的研究工作流程，可以通過數(shù)量增加而不是規(guī)模擴(kuò)大來提高過程的吞吐量。

該研究以《Universal chemical programming language for robotic synthesis repeatability》為題，于 2024 年 1 月 11 日發(fā)布在《Nature Synthesis》上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44160-023-00473-6

科學(xué)中的「可重復(fù)性危機(jī)」

可重復(fù)性和可證偽性對于科學(xué)研究至關(guān)重要，但已發(fā)表數(shù)據(jù)量的不斷增加使得確保已發(fā)表結(jié)果的驗證變得越來越困難。此外，自動化和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展和集成目前正在改變化學(xué)領(lǐng)域。

目前，缺乏對成功和失敗的實驗進(jìn)行編碼和記錄的開放標(biāo)準(zhǔn)，阻礙了復(fù)雜數(shù)字工具的使用，從而對研究進(jìn)展產(chǎn)生了不利影響。有關(guān)研究甚至談到了科學(xué)中的「可重復(fù)性危機(jī)」，強(qiáng)調(diào)了開發(fā)新策略來有效驗證數(shù)據(jù)的重要性。

在化學(xué)反應(yīng)中出現(xiàn)了一種特征-幾乎是技術(shù)性的——語言風(fēng)格，用于交流實驗協(xié)議。盡管有這種共同語言，再現(xiàn)反應(yīng)仍然具有挑戰(zhàn)性，并且通常需要人類化學(xué)家的專業(yè)知識來解釋平淡的協(xié)議并推斷隱含的信息。如果沒有有效的方法來捕獲化學(xué)協(xié)議中的隱性知識，可靠的通信和實驗驗證將變得棘手，化學(xué)的進(jìn)步將無法充分發(fā)揮其潛力。

χDL：一種機(jī)器可讀的通用化學(xué)描述語言

標(biāo)準(zhǔn)化自動化化學(xué)的挑戰(zhàn)可以通過捕獲 χDL 中的化學(xué)知識來解決，χDL 是一種機(jī)器可讀的通用化學(xué)描述語言，允許用戶以人類和機(jī)器人都可以理解的標(biāo)準(zhǔn)化方式存儲實驗方案。χDL 在設(shè)計上與平臺無關(guān)，能夠與任何自動化化學(xué)硬件連接。它是在 Chemputer 平臺上進(jìn)行原型設(shè)計的，但足夠靈活，可以快速集成到為完全不同的化學(xué)目的而設(shè)計的系統(tǒng)上

在此，研究人員通過在 Opentrons 平臺、Kinova 多軸 cobotic 機(jī)器人和兩個 Chemputers 上執(zhí)行相同的 χDL 協(xié)議來展示這一點，強(qiáng)調(diào)相同的代碼在多個硬件架構(gòu)上同樣可執(zhí)行。χDL 不受各個平臺的硬件限制，用于將不同的機(jī)器組合到一個工作流程中，并增強(qiáng)化學(xué)家設(shè)計實驗的整體能力。

研究涉及七個反應(yīng)步驟和三種最終化合物的三個案例研究的方案經(jīng)過驗證和傳播，以便在兩個國際實驗室和三個獨立機(jī)器人上重復(fù)。

以 χDL 形式共享數(shù)字程序有利于合作研究項目，其中可以結(jié)合不同平臺和實驗室的優(yōu)點和勞動力來優(yōu)化合成方案，共同實現(xiàn)更大的影響。

圖示：χDL 的普適性。（來源：論文）

Chemputation 的概念體現(xiàn)在 χDL 驅(qū)動的各種機(jī)器人上執(zhí)行不同的化學(xué)反應(yīng)，為更快、更富有成效的合作項目打開了大門。通過這種方法，合成任務(wù)可以輕松地在不同實驗室之間分配，因為化學(xué)知識可以作為現(xiàn)成運行的源代碼進(jìn)行交流，不需要更深入地了解基本的化學(xué)原理。

例如，研究小組可以無縫地研究合作者合成的核心分子的功能化，而無需投入時間進(jìn)行手動合成或因運輸時間而延遲項目。研究已經(jīng)展示了七種化學(xué)反應(yīng)的工作流程的簡便性，包括多步合成、聚合合成方法和反應(yīng)性的發(fā)散探索，展示了 χDL 編碼合成的產(chǎn)率和純度如何在不同的迭代、地理位置和硬件設(shè)置中出色地重復(fù)。