通用可编程的化学合成机器

有机合成不但高度专业化，而且还是“劳动密集型”，不少有机合成领域的工作者自嘲自己的日常工作就是“搬砖”。相比之下，小分子合成自动化无疑会大大解放生产力。然而，由于缺乏通用的标准，目前仅有个别反应可实现自动化，如寡肽、寡核苷酸、寡糖的自动合成以及Martin Burke组基于MIDA-boronate的Suzuki-Miyaura偶联反应。所有这些方法都是基于少量鲁棒性强的反应的连续迭代，因此，它们通常不能被编程且单元操作也不能重用。

目前，已经有基于不同策略的化学合成自动化平台建立起来，如来自UIUC的Martin Burke课题组的基于迭代偶联的合成机器（Science, 2015, 347, 1221）、Pfizer的基于流动化学的系统（Science, 2018, 359, 429），以及Leroy Cronin课题组的基于传统化学实验流程的Chemputer合成机器人（Science, 2019, 363, eaav2211）。但是大多自动平台都需要为每个反应使用定制的硬件，这意味着在一台机器上串联多步反应来自动合成目标分子很困难。近日来自英国格拉斯哥大学的Leroy Cronin课题组又在Nature Chemistry 上发表研究论文，展示了Chemputer可被编程从而在统一的系统中执行许多不同的反应，包括固相多肽合成（solid-phase peptide synthesis, SPPS）、迭代交叉偶联（iterative cross-coupling, ICC）和不稳定的二氮嗪的合成。其中的重点在于——开发可以使用一个软件系统实现自动化的通用且模块化硬件。在实验中，作者的系统执行了大约8500次操作，在10个模块中仅重复使用了22个不同的步骤，且代码能支持17种不同的反应。

图1. 将不同的合成方法整合成统一的可编程平台。D, deprotection; C, coupling; P, purification。图片来源：Nat. Chem.

在此之前，Chemputer已证明一系列不同的分子可以在相同的硬件上自动合成。然而，整合现有的不同自动化策略仍是一个重大挑战。作者认为，需要开发一种使得系统可编程和模块化的通用方法，能够将各种合成步骤统一起来，从而能够合成几乎任何可以人工合成的分子。如图1所示，作者展示了如何开发Chemputer系统，使得单个系统能够自动执行基于MIDA-boronate的迭代交叉偶联反应、固相多肽合成以及合成在生物学和材料学上有重要应用的光交联剂NHS-diazirine。

作者策略的首要原则是模拟人工有机合成的工作流程。因此，第一步是利用已普遍使用且标准化的合成化学单元操作（如分离、过滤、蒸发、加热、冷却、搅拌等）以统一的方式来实现自动化。为实现这一目标，关键是定义一组可以被描述为明确化学语言的单元操作，而标准的自动化化学硬件则可对其进行解释和执行。如图2所示，Suzuki–Miyaura偶联反应所需的标准硬件很明确，而这些硬件所执行的单元操作（加料、搅拌、加热、旋蒸）都可以独立进行且方便组合。这种高度模块化的方法使得体系结构易于扩展，更改一个模块很容易且不影响系统的其他部分。这种特性也意味着很容易通过代码来实现对每个单元操作的控制，使得系统变得可编程。

图2. 特定的反应到通用的自动化实验室硬件装配的映射关系。图片来源：Nat. Chem.

如图3所示，自动化合成的第一步是分析反应所需的基本单元操作。一旦确定了这些单元操作，通过软件接口，根据给定的图形文件就可以将每个单元操作连接到相应的硬件模块。准备工作完成后，Chemputer就能针对每个反应自动执行相应的操作。Suzuki–Miyaura偶联反应包括三个步骤：脱保护、偶联反应和纯化。该偶联反应需要严格的无水无氧环境，而作者设计的单元模块组合起来就能做到无水无氧条件要求。作者最终合成了0.33 g，产率为52%，与报道的61%较接近。光交联剂NHS-diazirine的合成除了需要无水环境外，还需要用到对温度和光敏感的试剂，这对于自动合成来说是个不小的挑战。为此作者开发了一个允许冷却、搅拌和保持惰性气氛的试剂模块，从而保证敏感试剂在使用之前可以在低温下储存。Chemputer以21%的收率合成了4.2 g产物，与文章报道的27%的产率接近。固相多肽合成是一个重复的添加试剂、过滤、洗涤和干燥的过程。组装好的多肽（9）从树脂中分离出来，然后在TFA混合物中以溶液的形式得到多肽产物。为了从混合物中分离出纯肽，需要在低温下用乙醚沉淀，然后过滤分离。Chemputer分别以10%、48%和50%的产率自动合成了10a、10b和10c。这一结果与用高度专业化的SPPS系统获得的产量和纯度相当。需要指出的是，商用的SPPS系统不能自动进行裂解、脱保护和沉淀操作，这些步骤必须手动执行。

图3. 本文涉及的自动合成反应。（a）迭代MIDA硼酸盐交叉偶联反应。（b）光交联剂NHS-diazirine合成。（c）SPPS后，多肽与NHS-diazirine反应。图片来源：Nat. Chem.

图4. 可用的硬件模块。图片来源：Nat. Chem.

图5. 自动合成平台的实现及结构。合成NHS-diazirine的硬件模块（a）及对应的软件上的图示（b）。图片来源：Nat. Chem.

表1. 三种合成结果。图片来源：Nat. Chem.

这项工作表明通过模块化的方法，可以用单一的平台架构来统一不同类别分子的自动合成。只需对系统的实际硬件实例进行微小的修改，就可以适应这些分子所需的不同化学反应。比如case 2得到的NHS-diazirine（7），可以用于case 3的多肽合成中。而且，用Chemputer自动合成的成本并没有那么高。NHS-diazirine的价格为221英镑/50 mg，而一个常规的自动肽合成器大约要5万英镑。相比之下，Chemputer的单价为2万英镑，合成得到的NHS-diazirine（4.2 g）的价格约为1.5万英镑。只要重复两次合成NHS-diazirine，生产的市场价值已经超过了Chemputer硬件的成本。

作者当前的工作重点是扩展反应模块库，如支持低温（−78°C）、固体添加、光化学和电化学的模块。此外，这样一个平台不仅能辅助自动合成，还能用来将新分子和文献报道过的合成路线程序化，极大的方便了文献结果的复现。

简评

相比于之前的自动合成机器的工作，笔者认为本文最大的亮点是可以在同一平台连续执行多步不同的反应得到最终的产物，而且有望建立统一的实验操作标准，解决实验的可重复性问题。但是，对于有机化学家来说，摸索反应条件和过柱子的过程无疑才是最耗时的。而本文的合成机器似乎只适用于有完整合成条件的反应，然后把反应给标准化和流程化。但对于更为耗时和关键的摸索条件的过程，则显得无能为力。

Convergence of multiple synthetic paradigms in a universally programmable chemical synthesis machine

Davide Angelone, Alexander J. S. Hammer , Simon Rohrbach , Stefanie Krambeck , Jarosław M. Granda , Jakob Wolf , Sergey Zalesskiy , Greig Chisholm , Leroy Cronin

Nat. Chem., 2021, 13, 63–69, DOI: 10.1038/s41557-020-00596-9