Автоматизированный синтез

Автоматизированный синтез или автоматический синтез — это набор методов, в которых используется роботизированное оборудование для выполнения химического синтеза . автоматического [1] Автоматизация процессов позволяет повысить эффективность и качество продукции, хотя технология автоматизации может быть непомерно дорогостоящей, и существуют опасения по поводу чрезмерной зависимости и сокращения рабочих мест. Химические процессы были автоматизированы на протяжении 19 и 20 веков, причем основные события произошли в предыдущие тридцать лет по мере развития технологий. Выполняемые задачи могут включать: синтез в различных условиях, подготовку проб , очистку и экстракцию . Автоматизированный синтез находит применение в исследовательских и промышленных масштабах в самых разных областях, включая полимеры , средства личной гигиены и радиосинтез .
Процесс
[ редактировать ]
Автоматический синтез по своей процедуре очень похож на выполнение ручного синтеза. Надзирающий химик выбирает целевую молекулу, затем формулирует план эксперимента, который представляет собой последовательную серию шагов. Затем собирают необходимое оборудование и выполняют план. Автоматизированный синтез идет по тому же пути, за исключением того, что компьютер разрабатывает и выполняет план эксперимента. Тем не менее, обычно все же требуется доработка человеком, чтобы убедиться, что автоматизированный маршрут практичен и в предлагаемой процедуре нет неявных шагов или условий. [2]
В органическом синтезе программное обеспечение органического синтеза используется для автоматизации процесса определения последовательностей реакций или маршрутов, которые могут быть использованы для синтеза органических соединений . [3]
Преимущества автоматизированного синтеза
[ редактировать ]Автоматизация синтеза имеет три основных преимущества: повышение эффективности, качества (выходов и чистоты) и безопасности, и все это является результатом меньшего участия человека. [4] Поскольку машины работают быстрее, чем люди, и не подвержены человеческим ошибкам, производительность и воспроизводимость возрастают. [5] Кроме того, поскольку люди проводят меньше времени в лаборатории, воздействие опасных химических веществ значительно снижается. [6] Это дает химикам дополнительное время для теории и совместных дискуссий.
Дополнительные преимущества включают в себя: многозадачность, выполнение задач, выходящих за рамки человеческой точности или способностей, исчерпывающий анализ и т. д.
Проблемы с автоматическим синтезом
[ редактировать ]Основной проблемой автоматизированного синтеза является сокращение рабочих мест. [4] Другими проблемами являются высокие первоначальные инвестиции и затраты на обслуживание, проблемы конфиденциальности и чрезмерная зависимость от технологий. [4] Существуют также этические проблемы, связанные с использованием искусственного интеллекта и робототехники. См. «Этика искусственного интеллекта» , «Этика роботов» , «Этика машин» .
История
[ редактировать ]Некоторые процедуры и методы были автоматизированы на протяжении 19 и 20 веков с использованием простых печатных плат. Первым полностью автоматическим синтезом был синтез пептидов Робертом Меррифилдом и Джоном Стюартом в 1966 году. [7] Применение искусственного интеллекта в органическом синтезе также началось в 1960-х годах с проекта Dendral Project , который помог химикам-органикам охарактеризовать и идентифицировать молекулы с помощью масс-спектрометрии. [8] Настоящее программное обеспечение для органического синтеза с помощью компьютера (CAOS), такое как LHASA, стало возможным благодаря развитию искусственного интеллекта и машинного обучения в 1980-х годах. [3] Важные разработки в области автоматизированных радиосинтетических модулей были также сделаны в 1980-х годах. [9]
В конце 1990-х годов основной задачей автоматизации было преодоление проблем разделения фаз и усиление системной интеграции . [5] В то время существовали только конкретные системы, принадлежавшие к одной из четырех конструкций: реактор проточного типа, реактор периодического действия, соединенный поточными линиями, один робот, два робота: один для синтеза и один для анализа, а также специальные более крупные системы, представлявшие собой комбинацию из вышеперечисленного. [5]
В 2000-х и 2010-х годах наблюдался значительный прогресс в промышленной автоматизации молекул. [10] а также появление систем общего синтеза, которые могли бы синтезировать самые разнообразные молекулы по требованию, работу которых Мелани Троб и Мартин Д. Берк сравнили с работой 3D-принтера . [11]
Можно увидеть, что в 2020-е годы развитие автоматизированного синтеза выходит на новый рубеж: удаленное [12] а также дальнейшее совершенствование старых систем и приложений искусственного интеллекта.
Приложения
[ редактировать ]Системы автоматизированного синтеза находят новые применения с развитием новых роботизированных платформ. Возможные применения включают: неконтролируемый синтез, синтез, зависящий от времени, радиосинтез температуры, наличие специфической атмосферы, такой как CO , H2 . , N2 , синтез в сложных условиях ( низкие , высокое давление или вакуум ) или всякий раз, когда требуется тот же или аналогичный рабочий процесс применять многократно с целью: оптимизировать реакции, синтезировать множество производных в небольших масштабах, проводить реакции итеративной омологации или радиосинтеза .
Автоматизированные рабочие процессы синтеза необходимы как в академических исследованиях, так и в широком спектре промышленных исследований и разработок ( фармацевтика , агрохимия , тонкая и специальная химия, возобновляемые источники энергии и исследования в области энергетики, катализаторы , полимеры , керамика и абразивы , пористые материалы , наноматериалы , биоматериалы , смазочные материалы , краски). и покрытия , уход за домом, уход за собой , питание , судебно-медицинская экспертиза ).
Полимеры
[ редактировать ]Параллельный синтез
[ редактировать ]В целом автоматизированный синтез повысил эффективность параллельного синтеза и комбинаторных методов полимеров. Эти методы направлены на создание новых материалов, а также на изучение взаимосвязи их структуры и свойств. [13] Однако, хотя скрининг полимеров позволяет провести это исследование, исследователям становится все сложнее создавать библиотеки для этих синтетических композиций. [14] Кроме того, подготовка требует выполнения большого количества повторяющихся реакций, что приводит к огромному бремени планирования и труда. [15] Используя автоматизированный синтез, этот процесс можно усовершенствовать, повысив эффективность реакции и устранив влияние человеческой ошибки. [15]
Поликонденсация
[ редактировать ]Поликонденсация включает образование полимеров в результате реакций конденсации между различными видами, создавая полимеры конденсации . Благодаря автоматизированному синтезу компания General Electric разработала подход к полимеризации в расплаве BPA и дифенилкарбоната (DPC) с использованием гидроксида натрия (NaOH) в качестве катализатора. [16] После анализа результатов было показано, что при использовании автоматизированного метода полимеризации эффект изменения количества катализатора стал более отчетливым и улучшился воспроизводимость реакции. [16] Кроме того, было продемонстрировано увеличение гомогенности полимеров в микрореакторах . [16]
Свободнорадикальная полимеризация
[ редактировать ]
Помимо поликонденсации, автоматизированный синтез применяется к различным методам радикальной полимеризации , таким как раскрытие цикла и полиолефины. Это включает в себя свободнорадикальную полимеризацию, такую как разработка автоматизированного процесса синтеза и оценки полимеров с молекулярным отпечатком (MIP). [13] С помощью термического инициирования можно параллельно получить около шестидесяти полимеров и оценить их константы связывания с отпечатанными аналитами. [13] Более того, добавив в свой репертуар еще один подход, Long et al. продемонстрировали возможности роботизированных систем и их использование с варьированием мономера для синтеза поли(стирол-со-метилметакрилата) и поли(стирол-со-бутилметакрилата). [13] После автоматического осаждения продукты были охарактеризованы стандартными аналитическими методами и добавлены в библиотеку полимеров. [13] Другой пример включает метод, описанный Symyx Technologies Inc., с применением струйного принтера, подающего различные соотношения стирола и акрилонитрила, который использовался в качестве терминатора. [13]
Хотя это примеры суспензионной полимеризации , о первом случае автоматического синтеза параллельной эмульсии сообщили Voorn et al. с пятью параллельными реакторами, содержащими четко определенные системы стирола и винилацетата. [17] После оптимизации скорости вихря сравнили результаты методов автоматического синтеза и классического перемешивания для эмульсионной полимеризации, в результате чего было установлено, что продукты сопоставимы. [17]
Контролируемая радикальная полимеризация
[ редактировать ]В отличие от свободнорадикальной полимеризации, применение автоматизированного синтеза может быть использовано и для контролируемой радикальной полимеризации. Эти методы использовались в рамках обратимого переноса присоединения-фрагментации (RAFT), радикала с переносом атома (ATRP) и полимеризации, опосредованной нитроксидом , демонстрируя способность роботов повышать эффективность и уменьшать сложность выполнения реакций. [13] Например, благодаря автоматической дозировке реагентов компания Symyx Technologies Inc. смогла полимеризовать стирол и бутилакрилат посредством ATRP. [13] Кроме того, эта функциональность была поддержана Zhang et al. в рамках своего исследования обнаружили, что воспроизводимость и сопоставимость эквивалентны классическому ATRP. [18]
Полимеризация с раскрытием кольца
[ редактировать ]При полимеризации с раскрытием цикла для быстрого скрининга и оптимизации использовался автоматический синтез, в том числе с системами катализатор + инициатор и условиями их полимеризации. Например, Хугенбум и др. определили оптимальную температуру полимеризации 2-этил-2-оксазолина в диметилацетамиде (ДМАц), что позволило обеспечить индивидуальный нагрев параллельных реакторов, что сократило время приготовления и анализа. [19]
Полиолефины
[ редактировать ]Чтобы помочь в исследовании катализаторов для полиолефинов , Symyx Technologies Inc. использовала автоматизированный синтез для создания библиотеки палладиевых и никелевых катализаторов, которые были проверены на полимеризацию этилена . [13] Этот процесс показал, что самые большие полиэтиленовые полимеры создаются комплексами с наибольшими стерическими затруднениями для орто-положений арильных колец, в то время как электронные факторы не влияют на выход или молекулярную массу. [13] Кроме того, Тухбрейтер и Мюльхаупт использовали автоматизированный синтез, чтобы продемонстрировать улучшения миниреакторов для полимеризации олефинов с улучшением качества по сравнению с использованием простых массивов. [20]
Супрамолекулярная полимеризация
[ редактировать ]В области супрамолекулярной полимеризации Schmatloch et al. использовали автоматизированный синтез для создания супрамолекулярных координационных полимеров с основной цепью, реагируя бис(2,2':6',2″-терпиридин)-функционализированный поли(этиленоксид) с различными ацетатами металлов (II). [13] В результате выяснилось, что классические лабораторные подходы можно перенести на автоматический синтез, оптимизируя процессы для повышения эффективности и воспроизводимости. [13]
Последние события
[ редактировать ]
За прошедшие годы было разработано несколько синтезаторов для автоматизированного синтеза, в том числе Chemspeed Accelerator (SLT106, SLT II, ASW2000, SwingSLT, Autoplant A100 и SLT100), система Symyx и Freeslate ScPPR. [14] Недавно исследователи исследовали оптимизацию этих методов для контролируемой/живой радикальной полимеризации (CLRP), которая сталкивается с проблемами непереносимости кислорода. [14] Эти исследования привели к разработке кислородтолерантного CLRP, в том числе с использованием ферментативной дегазации RAFT (Enz-RAFT), радикала переноса атома (ATRP), обладающего толерантностью к воздуху, и фотоиндуцированного переноса электронов/энергии – RAFT ( ПЭТ–РАФТ) полимеризация. [14] Благодаря использованию роботов для работы с жидкостями Тамаси и др. продемонстрировали использование автоматизированного синтеза с выполнением многоэтапных процедур, позволяющих исследовать реакции более сложных схем, таких как масштаб и сложность. [14]
Индустрия личной гигиены
[ редактировать ]Многие компании в сфере личной гигиены предприняли шаги по использованию автоматизированного синтеза при разработке своей продукции.
Activotec — компания, предлагающая продукты и услуги для химического синтеза. Одна из их услуг — индивидуальный синтез косметических пептидов. Activotec предлагает синтезатор пептидов с «автоматическим нагревом реактора и УФ-мониторингом». Автоматический нагрев реактора означает, что температуру реакции можно быстро изменить с минимальным образованием побочных продуктов, сохраняя при этом температуру в пределах 1 °C. Автоматизированная обратная связь при УФ-мониторинге позволяет мгновенно вносить изменения в «протоколы снятия защиты и связывания». [22]
Применение автоматизированного синтеза в продуктах личной гигиены описал доктор Самиул Амин, доцент Манхэттенского колледжа. Доктор Амин провел вебинар, на котором рассказал, как технология Chemspeed FLEX FORMAX используется для «разработки рецептур и оптимизации производительности». [23] [24]
Роботизированные платформы
[ редактировать ]Системы автоматизированного синтеза представляют собой лабораторных роботов , сочетающих в себе программное и аппаратное обеспечение . [25] Поскольку синтез представляет собой линейную комбинацию этапов, отдельные этапы можно объединить в аппаратные средства, выполняющие конкретный этап (смешивание, нагрев или охлаждение, анализ продукта и т. д.). Такое оборудование включает в себя роботизированные руки , которые используют дозаторы и захваты для перемещения материалов, а также шейкеры, регулирующие скорость перемешивания, и роботов с декартовой системой координат, которые работают по оси XYZ и могут перемещать предметы и выполнять синтез в заданных пределах. [26]
Условия реакций (атмосфера, температура, давление) контролируются с помощью периферийных устройств, таких как: газовые баллоны , вакуумный насос , рециркуляционная система и криостат . Модульные платформы используют множество инструментов для выполнения всех операций, необходимых для синтеза. Существует множество коммерческих модульных аппаратных решений для выполнения синтеза. Доступны новые программы, которые могут скомпилировать процедуру автоматизированного синтеза в исполняемый код непосредственно из существующей литературы. [27] Существуют также программы, способные ретро-синтетически генерировать процедуру на уровне квалификации аспиранта. [2]
В 2020 году IBM анонсировала RoboRXN — автономную систему, которая уникально позволяет удаленно синтезировать молекулу. [12] Система может самостоятельно создавать и реализовывать путь синтеза соединения только с заданной химической структурой. [12] Система все еще находится в разработке и еще не доступна для покупки, хотя IBM принимает сотрудников для тестирования как своего аппаратного обеспечения RoboRXN, так и программного обеспечения IBM RXN. [28]
Бристольский комплекс автоматизированного синтеза

Одним из автоматизированных предприятий синтеза является Бристольский комплекс автоматизированного синтеза, расположенный в Бристольском университете ( Великобритания ), которым управляет Вариндер Аггарвал . На предприятии используется платформа Chemspeed Technologies SWING, доступная для автоматизированного параллельного химического синтеза, с возможностями, включая инертную атмосферу , дозирование жидкостей и твердых веществ, контроль температуры от -70 ° C до 120 ° C, высокое давление (до 80 бар) и интегрированную твердофазную систему. экстракция с помощью специального автономного анализа LC-MS. [29]
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Бристольский комплекс автоматизированного синтеза на базе Бристольского университета (Великобритания)
- Химспид Технологии АГ
- Synple Chem AG
- IBM RXN
- Chemify
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Троуб М., Берк, доктор медицины (апрель 2018 г.). «Молекулярная промышленная революция: автоматизированный синтез малых молекул» . Ангеванде Хеми . 57 (16): 4192–4214. дои : 10.1002/anie.201710482 . ПМЦ 5912692 . ПМИД 29513400 .
- ^ Jump up to: а б Сеглер, Марвин Х.С.; Пройсс, Майк; Уоллер, Марк П. (март 2018 г.). «Планирование химического синтеза с помощью глубоких нейронных сетей и символического ИИ» . Природа . 555 (7698): 604–610. arXiv : 1708.04202 . Бибкод : 2018Natur.555..604S . дои : 10.1038/nature25978 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 29595767 . S2CID 205264340 .
- ^ Jump up to: а б Лонг, Алан К.; Другие, И (май 1983 г.). «Компьютерная программа для органического синтеза» . Новости химии и техники . 61 (19): 22–30. doi : 10.1021/cen-v061n019.p022 .
- ^ Jump up to: а б с «Автоматизация - Преимущества и недостатки автоматизации | Британика» . www.britanica.com . Проверено 23 октября 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с Линдси, Джонатан С. (1 октября 1992 г.). «Ретроспектива по автоматизации лабораторий синтетической химии» . Хемометрика и интеллектуальные лабораторные системы . Материалы Первого международного симпозиума по робототехнике, автоматизации и искусственному интеллекту в применении к аналитической химии. Ч. 1. 17 (1): 15–45. дои : 10.1016/0169-7439(92)90025-Б . ISSN 0169-7439 .
- ^ Кристенсен, Мелоди; Юнкер, Ларс П.Е.; Шири, Париса; Зепель, Тара; Прието, Палома Л.; Грюнерт, Шад; Борк, Финн; Хейн, Джейсон Э. (08 декабря 2021 г.). «Автоматизация не является автоматической» . Химическая наука . 12 (47): 15473–15490. дои : 10.1039/D1SC04588A . ISSN 2041-6539 . ПМЦ 8654080 . ПМИД 35003576 . S2CID 240140274 .
- ^ Меррифилд, Роберт Б.; Стюарт, Джон Морроу; Йернберг, Нильс. (1 декабря 1966 г.). «Прибор для автоматизированного синтеза пептидов» . Аналитическая химия . 38 (13): 1905–1914. дои : 10.1021/ac50155a057 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 5977852 .
- ^ «Применение искусственного интеллекта в органической химии: проект ДЕНДРАЛ» . Джошуа Ледерберг - Профили в науке . Проверено 28 ноября 2022 г.
- ^ Алексофф, Д.Л. (21 сентября 2001 г.). «АВТОМАТИЗАЦИЯ СИНТЕЗА И ПРИМЕНЕНИЯ ПЭТ-РАДИОФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ» . ОСТИ 787833 .
- ^ Шулер, Ганс (1 июля 2006 г.). «Автоматизация в химической промышленности» . Автомобиль (на немецком языке). 54 (8): 363–371. дои : 10.1524/auto.2006.54.8.363 . ISSN 2196-677X . S2CID 10063343 .
- ^ Троуб, Мелани; Берк, Мартин Д. (9 апреля 2018 г.). «Молекулярная промышленная революция: автоматизированный синтез малых молекул» . Angewandte Chemie, международное издание . 57 (16): 4192–4214. дои : 10.1002/anie.201710482 . ISSN 1433-7851 . ПМЦ 5912692 . ПМИД 29513400 .
- ^ Jump up to: а б с «IBM RXN для химии» . rxn.res.ibm.com . Проверено 23 октября 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Хугенбум, Ричард; Мейер, Майкл А.Р.; Шуберт, Ульрих С. (январь 2003 г.). «Комбинаторные методы, автоматизированный синтез и высокопроизводительный скрининг в исследованиях полимеров: прошлое и настоящее» . Макромолекулярная быстрая связь . 24 (1): 15–32. дои : 10.1002/marc.200390013 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Тамаси, Мэтью; Косури, Шашанк; ДиСтефано, Джейсон; Чепмен, Роберт; Гормли, Адам Дж. (февраль 2020 г.). «Автоматизация контролируемой/живой радикальной полимеризации» . Передовые интеллектуальные системы . 2 (2): 1900126. doi : 10.1002/aisy.201900126 . ISSN 2640-4567 . ПМЦ 9113399 . ПМИД 35586369 .
- ^ Jump up to: а б Рохас, Рамиро; Харрис, Николь К.; Пиотровска, Каролина; Кон, Иоахим (1 января 2009 г.). «Оценка автоматизированного синтеза цепной и ступенчатой полимеризации: могут ли роботы заменить химиков?: Цепная и ступенчатая полимеризация» . Журнал науки о полимерах. Часть A: Химия полимеров . 47 (1): 49–58. дои : 10.1002/pola.23119 .
- ^ Jump up to: а б с Мейер, Майкл А.Р.; Хугенбум, Ричард; Шуберт, Ульрих С. (январь 2004 г.). «Комбинаторные методы, автоматизированный синтез и высокопроизводительный скрининг в исследованиях полимеров: эволюция продолжается» . Макромолекулярная быстрая связь . 25 (1): 21–33. дои : 10.1002/marc.200300147 . ISSN 1022-1336 .
- ^ Jump up to: а б Воорн, Дирк-Ян; Фейтен, Мартин ВМ; Мёлдейк, Ян; Шуберт, Ульрих С.; ван Херк, Алекс М. (март 2003 г.). «Потенциалы и ограничения автоматизированной параллельной эмульсионной полимеризации» . Макромолекулярная быстрая связь . 24 (4): 320–324. дои : 10.1002/marc.200390050 .
- ^ Чжан, Хуэйци; Фейтен, Мартин ВМ; Хугенбум, Ричард; Рейниркенс, Рой; Шуберт, Ульрих С. (январь 2003 г.). «Применение параллельного синтетического подхода в радикальной полимеризации с переносом атома: установка и технико-экономическое обоснование» . Макромолекулярная быстрая связь . 24 (1): 81–86. дои : 10.1002/marc.200390002 .
- ^ Хугенбум, Ричард; Фейтен, Мартин ВМ; Брендли, Кристоф; Шрёр, Йозеф; Шуберт, Ульрих С. (январь 2003 г.). «Автоматическая параллельная оптимизация температуры и определение энергии активации живой катионной полимеризации 2-этил-2-оксазолина» . Макромолекулярная быстрая связь . 24 (1): 98–103. дои : 10.1002/marc.200390017 .
- ^ Тухбрейтер, Арно; Мюльхаупт, Рольф (13 сентября 2001 г.). «Проблемы, связанные с полиолефинами: разработка катализаторов и процессов, индивидуальные материалы, высокопроизводительная разработка и интеллектуальный анализ данных» . Макромолекулярные симпозиумы . 173 (1): 1–20. doi : 10.1002/1521-3900(200108)173:1<1::AID-MASY1>3.0.CO;2-T – через онлайн-библиотеку Wiley.
- ^ Тамаси, Мэтью; Косури, Шашанк; ДиСтефано, Джейсон; Чепмен, Роберт; Гормли, Адам Дж. (февраль 2020 г.). «Автоматизация контролируемой/живой радикальной полимеризации» . Передовые интеллектуальные системы . 2 (2): 1900126. doi : 10.1002/aisy.201900126 . ISSN 2640-4567 . ПМЦ 9113399 . ПМИД 35586369 .
- ^ «Синтез косметических пептидов» . Активотек . Проверено 24 октября 2022 г.
- ^ «Автоматизированная рецептура косметики и потребительских товаров» . Проверено 24 октября 2022 г.
- ^ «Автоматическое приготовление косметики» . Проверено 24 октября 2022 г.
- ^ Гао, Вэньхао; Рагхаван, Приянка; Коли, Коннор В. (28 февраля 2022 г.). «Автономные платформы для органического синтеза, управляемого данными» . Природные коммуникации . 13 (1): 1075. Бибкод : 2022NatCo..13.1075G . дои : 10.1038/s41467-022-28736-4 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 8885738 . ПМИД 35228543 . S2CID 247169993 .
- ^ «2. Функциональность промышленных роботов и системы координат – Inlearc» (на эстонском языке) . Проверено 28 ноября 2022 г.
- ^ Мехр, С. Хессам М.; Крэйвен, Мэтью; Леонов Артем Иванович; Кинан, Грэм; Кронин, Лерой (02 октября 2020 г.). «Универсальная система оцифровки и автоматического оформления литературы по химическому синтезу» . Наука . 370 (6512): 101–108. Бибкод : 2020Sci...370..101M . дои : 10.1126/science.abc2986 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 33004517 . S2CID 222081589 .
- ^ «Сотрудничайте с нами» . Исследования IBM . 09.02.2021 . Проверено 23 октября 2022 г.
- ^ Бристоль, Университет. «Бристольский автоматизированный синтезаторный комплекс» . www.bristol.ac.uk . Проверено 26 октября 2022 г.