在药物研发领域,化学合成效率瓶颈已成为制约新药上市速度的关键障碍。传统合成化学研究范式下,一名合成研究员每天仅能开展2-3个反应,同时推进的合成路线不超过3条。随着人工智能与机器人技术的深度融合,自动化合成正在引领一场合成化学研究范式革新,为化学合成效率提升开辟全新路径。

一、化学合成效率瓶颈:纵向与横向的双重困境

化学合成效率瓶颈并非单一维度的问题。从纵向来看,单个分子的合成速度受限于路线设计、分离纯化、仪器设备资源等多重因素;从横向来看,合成研究员的工作并行度严重不足。由于化学合成流程繁琐、不确定因素多,当前缺乏应对这些复杂性的技术手段,合成研究员被迫同时扮演"将军"与"士兵"的角色,形成典型的"特种兵模式"。

▲ XmartChem智能合成工作站全自动化合成实验流程

这种双重瓶颈导致的结果是:行业内各家CRO与生物医药企业的化学合成工作模式几乎一模一样,效率也差别不大。破解这一困局,需要采取"多种手段+全局优化"的模式,不能寄希望于提高某一个环节的效率,而必须实现系统性的化学合成效率提升。

二、数字化化学合成:从"特种兵"到"流水线"的转型

破解化学合成效率瓶颈,数字化化学合成正是这一转型的核心驱动力。其本质是以高速、高准确度的信息流转,带动物质流转速度和准确度的提升。

具体而言,通过将大量相对简单且重复的工作——如文字记录、后处理和纯化等——从合成研究员的日常工作中抽离出来,以"流水线"模式完成。即便只是部分工作的流水线作业,也意味着反应液、化合物样品需要在不同团队之间高效流转。这种流转需要适应化学合成的不确定性因素,同时保持高速运转。

晶泰科技在这一领域构建了端到端的数智化化学合成平台,以软件(端到端数字化系统+AI模型)与硬件(自动化机器人+智能自主实验室)双轮驱动,覆盖从分子设计、反应设计、试剂管理、反应开设、在线检测、后处理纯化到化合物管理的全流程。

三、自动化合成:延展合成人员的实验能力

自动化合成是数字化转型的物理载体。2020年,英国利物浦大学Andy Cooper教授团队建造了世界上第一个移动机器人化学家,直观展示了AI等技术加持下的自动化装备自主完成化学合成的可能性。

目前,工业级别实现多步合成的完全自动化仍面临挑战,但针对特定反应类型在特定环节实现局部自动化已无问题。例如,自动化反应检测一体机主要用于执行过夜反应和条件筛选,可大幅缓解清晨LCMS排队问题。自动化装备一方面帮助合成研究员更好地利用8小时以外的时间,另一方面显著提高工作并行度——在自动化装备加持下,合成研究员的工作效率远高于传统方式。

▲ XmartChem智能合成工作站产品实物图(手套箱/串联LCMS分析工作站)

晶泰科技的XmartChem智能合成工作站正是这一理念的落地产品。该工作站覆盖80%常用反应类型,可实现7×24小时不间断工作,支持高通量平行反应与多步自动化合成,涵盖化合物库合成、反应条件优化、催化剂筛选、苗头/先导化合物筛选优化等核心应用场景。

四、智能化:AI算法赋能合成路线预测

合成化学智能化的终极目标,是以AI算法精准设计合成路线——这是化学合成效率提升皇冠上的明珠。

相较于化学空间的规模,目前实验数据严重不足,包括负样本数据的缺失。正样本数据占绝对主导会产生幸存者偏差,而"被文献误导"的情况在合成研究中屡见不鲜。因此,开发自动化合成装备的目的之一,就是以相对较低的成本产生大量标准化数据,用于合成路线算法开发。

▲ XmartChem智能合成工作站应用场景全览

在路线设计之外,AI技术在合成化学其他方面的应用已相对成熟:分析谱图的AI自动识别、LCMS/TLC分离算法推荐过柱溶剂梯度、制备分离方法算法推荐等。这些应用虽不如路线设计万众瞩目,但确实能够降低工作难度、节省合成研究员的时间。

五、实践验证:从理论到落地的跨越

晶泰科技的ChemArt自动化化学合成服务平台已在全球生物医药企业中得到验证。平台拥有400多名经验丰富的合成化学家、20多名药化专家、40多名CADD专家及60多名生物专家,配备200余台自动化工作站。

一个典型案例发生在2022年上海疫情期间:晶泰科技上海公司的实验人员通过远程登录方式,在家中操控深圳的自动化合成工站,结合少量现场辅助人员,通过4-6步合成,成功交付了一个药化项目78个化合物中的72个,交付质量和效率均达到客户预期。这一案例充分展现了自动化实验室打破空间限制的能力。

▲ XmartChem产品特点全览——功能模块自由组合示意图

结语

合成化学是很多行业研发的基础,合成效率直接影响研发进度。自动化合成、数字化化学合成与数智化化学合成的三位一体,正在推动合成化学研究范式革新。晶泰科技以"短中期破解横向瓶颈、中长期突破纵向瓶颈"为战略路径,以AI算法精准设计合成路线为终极目标,持续推动化学合成效率提升,为生物医药企业与CRO同行提供降本增效的创新解决方案。

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晶泰科技 XtalPi | 本文关键词:自动化合成、化学合成效率提升、化学合成效率瓶颈、合成化学研究范式革新、数字化化学合成、数智化化学合成