不知道諸位讀者在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候是否經(jīng)歷過(guò)一些玄學(xué)——明明步驟都是一樣的，但就是因?yàn)槟承┢娈惖膯?wèn)題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)法順利進(jìn)行下去。

人類化學(xué)家只能探索這些流形的一個(gè)有限子集，對(duì)反應(yīng)超空間的理解仍然是零碎的 。 產(chǎn)率分布是平滑還是波狀？ 它們是否隱藏了機(jī)制上新的反應(yīng)？ 等等問(wèn)題，皆需要一個(gè)解答。

出于這些需要，韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）等開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)器人輔助平臺(tái)，主要使用光學(xué)檢測(cè)來(lái)量化產(chǎn)物和副產(chǎn)物的產(chǎn)率，以前所未有的吞吐量和每條件最低的成本。

相關(guān)研究?jī)?nèi)容以「Robot-assisted mapping of chemical reaction hyperspaces and networks」為題，發(fā)布在《Nature》。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09490-1

讓機(jī)器琢磨高維反應(yīng)空間去吧

化學(xué)反應(yīng)并不是單線條的「一條路走到黑」，而是存在于一個(gè)龐大的「高維空間」里。溫度、濃度、溶劑、催化劑……每一個(gè)參數(shù)都是一個(gè)維度。

傳統(tǒng)的方法還是太耗時(shí)了。于是，機(jī)器人輔助平臺(tái)的構(gòu)思就此出現(xiàn)。依賴大量低成本、高效率的紫外-可見(jiàn)（UV-Vis）檢測(cè)，并輔以算法分解復(fù)雜光譜以及自相關(guān)指標(biāo)，平臺(tái)得以量化缺失信息并檢測(cè)異常結(jié)果。

圖 1：自動(dòng)化反應(yīng)平臺(tái)和光學(xué)產(chǎn)率測(cè)定。

機(jī)器人負(fù)責(zé)加液、運(yùn)行上千個(gè)反應(yīng)；檢測(cè)環(huán)節(jié)采用快速的 UV-Vis 光譜，用光吸收信號(hào)捕捉產(chǎn)物的存在；再結(jié)合解譜算法，把復(fù)雜混合物的光譜分解成單個(gè)產(chǎn)物的「指紋」，進(jìn)而估算產(chǎn)率。

該方案通常有兩個(gè)需要注意的地方。首先，拒絕違反反應(yīng)化學(xué)計(jì)量的潛在未混合解，并確保擬合的穩(wěn)定性。采取這些預(yù)防措施后，產(chǎn)率估計(jì)在 5%以內(nèi)；其次，擬合過(guò)程伴隨著一種算法，用于檢測(cè)超空間某些區(qū)域的異常結(jié)果。如果檢測(cè)到系統(tǒng)性偏差，則表明形成了基于超空間初始掃描的預(yù)期之外的產(chǎn)品。

反應(yīng)地圖里的驚喜

研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)該方法適用于廣泛用于學(xué)術(shù)團(tuán)體和工業(yè)的各種反應(yīng)，并對(duì)幾種經(jīng)典類型的反應(yīng)超空間進(jìn)行了探索與分析。在此過(guò)程中，他們著重關(guān)注了幾小時(shí)反應(yīng)時(shí)間下的產(chǎn)率分布（即與合成有機(jī)實(shí)踐相關(guān)的情況）以及具有最大變異程度的超空間區(qū)域，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不少「隱藏劇情」。

在大多數(shù)溫度和濃度變化下，產(chǎn)率曲線是平滑的。但在某些邊界條件下，會(huì)突然「切換」主要產(chǎn)物通路。不過(guò)，團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，即使出現(xiàn)這種異常，超空間仍是簡(jiǎn)單的——換句話說(shuō)，其組成物種中每個(gè)物種只有一個(gè)產(chǎn)率最大值——所有物種的產(chǎn)率分布都緩慢變化。

圖 2：空間內(nèi)具有的異常結(jié)果。

在四組分的 Ugi 反應(yīng)中，他們繪制的產(chǎn)率分布出現(xiàn)了兩個(gè)高峰，中間隔著「谷底」。這意味著，不同條件下反應(yīng)走的竟然是完全不同的機(jī)制。

在 Hantzsch 反應(yīng)中，通過(guò)反復(fù)凈化和擬合，AI 輔助的機(jī)器人還識(shí)別出此前未被注意的副產(chǎn)物，并把它們補(bǔ)進(jìn)了反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。在幾千個(gè)條件點(diǎn)的支撐下，研究者首次繪出了完整的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，明確了哪些條件會(huì)通向哪些產(chǎn)物，哪些中間體會(huì)出現(xiàn)或消失。

這些結(jié)果不僅證明了方法的有效性，還為理解反應(yīng)機(jī)理、優(yōu)化條件提供了全新的線索。

一款導(dǎo)航地圖

過(guò)去，化學(xué)實(shí)驗(yàn)就像開(kāi)盲盒，靠經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)氣。但有了機(jī)器人和AI的加持，科學(xué)家們開(kāi)始繪制屬于化學(xué)的「地圖集」。這不僅能幫研究者找到更高效的反應(yīng)路線，也可能在未來(lái)引領(lǐng)出全新的化合物發(fā)現(xiàn)方式。畢竟，在復(fù)雜反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)里，隱藏的寶藏還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有挖完。

這項(xiàng)工作是通過(guò)現(xiàn)代反應(yīng)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的初步嘗試，旨在理解反應(yīng)超空間的結(jié)構(gòu)。在更廣泛的意義上，鑒于目前此類數(shù)據(jù)集的稀缺，將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率圖納入用于測(cè)試通用產(chǎn)率優(yōu)化算法的基準(zhǔn)，將顯著擴(kuò)大這些基準(zhǔn)的多樣性。

未來(lái)的工作中，該平臺(tái)也許會(huì)擴(kuò)展到需要固體分配和/或嚴(yán)格無(wú)氧條件下的反應(yīng)中，加快分配和測(cè)量操作（以分析快速反應(yīng)），并監(jiān)測(cè)超空間隨時(shí)間的變化。