问题描述
化学合成依赖反应物选择、反应条件控制等诸多因素，因此很难用定量、可预测的数学关系来进行指导。长期以来，化学合成基于专家经验和试错，合成效率不能满足人类社会对新的功能分子和材料的巨大需求。近年来，合成机器人的出现为自动化、集成化的开发合成化学分子提供了便捷可操控的平台原型，但智能化、精准化程度上还有很大的提升空间。如何将机器人融合量子力学底层规则，赋予合成机器人智慧核心，帮助突破人类专家的思维和算力局限，预测全新的合成路径，对复杂合成过程进行优化，实现真实条件下（包括催化剂、溶剂、温度、压强等）的化学反应路径预测和反应条件自动优化，推动化学合成精准化和智能化，是合成化学和相关学科中的重大前沿科学问题。
问题背景
虽然化学合成已经快速发展了两百多年，但今天化学实验室的面貌与一百年前相比并没有本质变化，化学工作者依然需要依靠专家经验和反复试错来获得目标产物。这样的研究方式不仅失败率较高，而且容易引发安全事故。特别是后者严重影响了化学研究在社会公众中的形象，影响了化学事业“后继有人”。实现化学合成自动化、智能化、精准化是化学工作者们长期以来的梦想。
最新进展（截止问题发布年度）
为实现自动、智能、精准的化学合成，国际上已形成了两条主要研发路线。
其一是以英国格拉斯哥大学为代表，通过改造实验室仪器设备使其适应自动化合成，然后利用大量数据训练算法形成人工智能，以指挥仪器设备合成目标化合物。该路线主要适用于可以流动合成的化学反应。代表性最新成果是英国格拉斯哥大学2020年10月发表在《科学》杂志上的成果。他们模仿人类开展化学研究的过程“读文献——架仪器——做实验”，设计了一套基于自然语言处理技术的化学自动合成操作系统ChemIDE。该系统包括三个部分：（1）通过自然语言处理技术阅读化学论文，形成计算机可以理解的操作步骤；（2）根据操作步骤，形成操作实验仪器程序；（3）根据程序控制实验仪器开展实验。通过这套系统，研究人员从论文出发自动合成了利多卡因、戴斯-马丁试剂、AlkylFluor等12种有机物，产率与论文报道值相当甚至略高。而且，ChemIDE成功在两种自动合成平台上运行，显示了一定的通用性。其二是以英国利物浦大学为代表，从机器替代人的角度出发，研发可以像人一样从事各种实验操作的智能机器人。利物浦大学研发的机器人由商业机器人改造而成，分为两个部分：移动平台和固定在其上的机械臂。移动平台采取激光测距和定位块辅助的方法定位，可以在7.3米×11米的实验室空间准确定位各种仪器装置，误差在位置±0.12毫米、方向±0.005度以内。研究人员对机械臂进行了简单改造，使其适应抓取化学试剂瓶和按仪器按钮，并负责触摸定位块。装载了实验操作程序和算法的机器人，可以像人类一样在实验室各种仪器装置间移动，进行装样、溶解、密封、实验、仪器分析、数据分析、设计实验等操作，并在等待分析结果时充电。与第一条技术路线相比，第二条路线适用范围更广，且几乎不需要对现有实验室进行改造，意义价值更大。目前，自动、智能、精准的化学合成技术已经初步用于药物制备。例如，2016年4月，美国麻省理工学院报道了其研发的小型全自动药物合成机器。研究人员利用该系统合成了盐酸苯海拉明、盐酸利多卡因、安定及盐酸氟西汀四种药物，每天可分别生产810-4500份制剂，品质均达到美国药典标准。2019年1月，英国格拉斯哥大学报道了其使用自动合成反应平台合成了3种药物，不仅产物收率和纯度达到人工合成水平而且大幅缩减了制备时间。此外，礼来、辉瑞、默克等制药公司也都开展了自动合成药物分子研究。虽然合成机器人（平台）的出现为自动化、集成化地开发合成各种功能分子提供了便捷可操控的平台原型，但其智能化、精准化程度还有很大的提升空间。如何融合量子力学底层规则，赋予化学自动合成机器智慧核心，助其突破人类专家的思维和算力局限，从而预测全新的合成路径并对复杂合成过程进行优化，实现真实条件下（包括催化剂、溶剂、温度、压强等）的化学反应路径预测和反应条件自动优化，推动化学合成精准化和智能化，是合成化学和相关学科中的重大前沿科学问题。重要意义
自动、智能、精准的化学合成将改变传统实验科学的面貌，通过化学合成自动化，将研究人员从大量重复性工作中解放出来，使他们有更多时间从事创新性的活动。人工智能技术将大幅提高人类研发新型功能分子和材料的效率，增强了人类拓展未知科学疆域的能力。精准的化学合成将进一步提高原子经济性，使化学合成更加绿色，促进可持续发展。
鉴于合成化学在科研和生产中的基础性地位，一旦实现自动、智能、精准的化学合成并大规模应用，必将对国防、经济、社会、科技等受创新驱动发展的方方面面产生显著积极影响。但其“双刃剑”效应也必须重视。自动、智能、精准的化学合成技术也可以用于合成危险用途的已知和未知化合物，例如制造化学和生物武器的分子、生物大分子、物质和药物。美国国防高级研究计划局等机构设立“加速合成化学”等项目，积极支持自动、智能、精准的化学合成研究，其军事应用目的不言而喻。
