化學(xué)信息學(xué)：令研究更具可持續(xù)性的三步策略

編譯 高斯寒

環(huán)境議題處在公眾關(guān)切的最前線。氣候變化和污染等挑戰(zhàn)在驅(qū)使各國政府和公司付諸行動，以降低它們對環(huán)境造成的沖擊?；瘜W(xué)品工業(yè)尤其需要讓產(chǎn)品和生產(chǎn)過程更具可持續(xù)性。從宏觀角度來看，這些挑戰(zhàn)需要全球的協(xié)調(diào)與合作，譬如聯(lián)合國計劃成立的化學(xué)品、廢棄物及污染咨詢小組。

在個體層面上，實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家同樣關(guān)心他們?nèi)粘９ぷ髟斐傻挠绊?。英國皇家化學(xué)學(xué)會的《可持續(xù)實(shí)驗(yàn)室》報告顯示，化學(xué)家想要盡更大努力來讓他們的實(shí)驗(yàn)和化學(xué)反應(yīng)更加“綠色”?；瘜W(xué)家對于綠色化學(xué)的概念并不陌生，知道它是一種讓化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)品更具可持續(xù)性的方法，然而要將那些原則付諸實(shí)踐可能很具挑戰(zhàn)性。正如英國皇家化學(xué)學(xué)會報告指出的那樣，許多化學(xué)家感覺他們?nèi)狈ψ龀鲋苋珱Q策所需的數(shù)據(jù)。

一些化學(xué)信息平臺，如愛思唯爾公司旗下Reaxys數(shù)據(jù)庫，能提供化學(xué)家需要的資訊，簡化決策步驟，幫助填補(bǔ)這個缺口。從實(shí)用的視角來看，化學(xué)信息學(xué)能幫助化學(xué)家應(yīng)用三個策略——替換、減少和預(yù)測——而讓化學(xué)反應(yīng)更加“綠色”。“替換”歸結(jié)起來就是使用對環(huán)境更友好的溶劑和試劑?！皽p少”是要尋找方法，使得在創(chuàng)造過程中使用更少的能量和物料，或者產(chǎn)生更少的實(shí)驗(yàn)室廢棄物?！邦A(yù)測”涉及利用AI和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來制造更好的產(chǎn)品，設(shè)計出更加可持續(xù)的工藝路線和程序，在你拿起燒瓶之前就提高成功的概率。

替換

為什么更換試劑或反應(yīng)物會讓反應(yīng)更加“綠色”？有幾個原因。一些化學(xué)物質(zhì)因?yàn)橛卸?、致癌或容易爆炸，?yīng)該被其他化學(xué)物替代。譬如，化學(xué)家通常使用的二甲基亞砜（DMSO）和二甲基甲酰胺（DMF）之類極性非質(zhì)子溶劑是首要的替換對象，可以換成更加溫和的替代溶劑。使用低共熔溶劑或離子液體替換極性非質(zhì)子溶劑的話，能有同樣的性能，但對于化學(xué)家和環(huán)境的風(fēng)險會低得多。

綠色化學(xué)十二條原則

1. 預(yù)防2. 原子經(jīng)濟(jì)度（一種表示化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換效率的指標(biāo)）3. 危險性較小的化學(xué)合成4. 設(shè)計更安全的化學(xué)品5. 更安全的溶劑和助劑6. 節(jié)能設(shè)計7. 使用可再生原料8. 減少衍生物9. 催化作用10. 降解設(shè)計11. 污染預(yù)防的實(shí)時分析12. 更安全的化學(xué)事故預(yù)防

就算一種化學(xué)物質(zhì)不會對人員或環(huán)境帶來危險，但假如它來自化石燃料，那么它仍然可能是一個糟糕的選擇。按照這條標(biāo)準(zhǔn)，很大一部分常見的有機(jī)溶劑都屬于此類。你能否不再使用石油衍生的溶劑，改成用一些源自生物質(zhì)的溶劑？甚至可不可以使用水？隨著一些溶劑的大量使用，特別是對于色譜法之類的提純程序，這可能較容易獲得化學(xué)反應(yīng)的綠色認(rèn)證。

根據(jù)Reaxys數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品管理主管帕洛瑪 ? 恩格爾 ? 加西亞（Paloma Engel García）博士的說法，替換一種溶劑是最容易應(yīng)用的綠色化學(xué)原則之一，而且能產(chǎn)生巨大的影響。數(shù)據(jù)庫使得這個替換過程更加容易，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫從文獻(xiàn)和專利中摘錄所有相關(guān)的反應(yīng)數(shù)據(jù)（包括反應(yīng)條件和反應(yīng)收率），使得數(shù)據(jù)可檢索。數(shù)據(jù)庫的先進(jìn)檢索和過濾功能讓你直接搜索需要的數(shù)據(jù)，減少確定替代選項(xiàng)的時間，不用費(fèi)力地用試錯法在文獻(xiàn)中搜尋可能與研究主題相關(guān)的論文，并希望其中含有你需要的信息?！八屇悴槐亻喿x所有論文就詢問出所需內(nèi)容這件事更加容易辦到，”她說道，“過濾功能讓使用者很容易就能縮小選擇范圍。”

除了選擇不同的溶劑外，回避鹵化溶劑有著顯而易見的環(huán)境益處，也能減少毒性。在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢，就能揭示其他研究者此前是否使用甲醇和水——而不是石油醚和二氯甲烷（DCM）——分離過與你的研究類似的化合物。

采用催化反應(yīng)是另一條關(guān)鍵的綠色化學(xué)原則，但催化反應(yīng)也可能效率較低，尤其是當(dāng)它們包含難以分離和回收利用的大配位基時。原子效率更高的催化劑會立竿見影地改善催化反應(yīng)的可持續(xù)性。也可以用一種含量更豐富的催化劑來取代稀有金屬催化劑，或者用較不危險的催化劑取代有毒金屬催化劑。譬如，許多常見催化劑的核心元素是錫和鉻，但這兩種元素都具有毒性，難以提純，且產(chǎn)生許多廢物?；瘜W(xué)家可以檢索數(shù)據(jù)庫，依據(jù)這些參數(shù)來過濾結(jié)果。數(shù)據(jù)庫為你摘錄信息，于是你能很容易地找到一種替代的催化劑。此外，數(shù)據(jù)庫能鏈接到相關(guān)的主要文獻(xiàn)，那么化學(xué)家能迅速找到原始研究，予以評估。

將溶劑換成一種更加溫和的替代溶劑是最簡單的讓反應(yīng)更加綠色的方法之一

減少

讓化學(xué)合成更加可持續(xù)的另一種方法是使用更短的工藝路線、另一種程序或反應(yīng)設(shè)計。譬如，步驟更少意味著反應(yīng)很可能產(chǎn)生更少廢物，需要更少反應(yīng)物，消耗更少能量。

“有好幾個方面，”加西亞說，“一個方面是反應(yīng)效率。我想要一個擁有收率高、副產(chǎn)物少的反應(yīng)。理想情況下，原子效率會十分高，來自起始物料和試劑的大多數(shù)原子都包含在最終產(chǎn)物中。這也減少了廢物?！?/p>

“能源使用是另一個因素。室溫下的反應(yīng)往往需要較低的能量輸入，因此在生產(chǎn)中能效更高，”她說道，“這點(diǎn)對于大規(guī)模的工業(yè)化反應(yīng)顯然至關(guān)重要，但在實(shí)驗(yàn)室條件下也關(guān)系重大。”

加西亞說，在更高的壓力下運(yùn)行的反應(yīng)也許看起來需要更多能量，但它實(shí)際上往往更有能效，因?yàn)榉磻?yīng)發(fā)生得更加快?！耙?yàn)榉磻?yīng)更快，最終還是節(jié)省了能量。需要五分鐘的反應(yīng)總是會比運(yùn)行一整晚的反應(yīng)更有能效?！?/p>

徹底改變反應(yīng)進(jìn)行的方式是另一個減少能耗和試劑用量的潛在方式。也許可以從傳統(tǒng)的攪拌瓶中的間歇反應(yīng)改成以連續(xù)反應(yīng)器形式進(jìn)行的程序。使用微波或紫外線作為能量源取代電爐也許是個更好的選擇。

數(shù)據(jù)庫在這方面也能幫助化學(xué)家。“你可以選擇較高收率的反應(yīng)，比如設(shè)置過濾器，只檢索至少90%收率的反應(yīng)。又或者，可以過濾選擇在室溫下運(yùn)行的反應(yīng)，或是使用連續(xù)反應(yīng)器和固定催化劑來完成的反應(yīng)?！边@是流動化學(xué)的又一個環(huán)境益處——既然試劑在固定催化劑上流動，催化劑就能在反應(yīng)過后進(jìn)行清洗，重復(fù)使用，不必將它從反應(yīng)混合物中分離出來。

譬如，阿根廷化學(xué)家古斯塔沃 ? 巴勃羅 ? 羅馬內(nèi)利（Gustavo Pablo Romanelli）博士已經(jīng)在工作中廣泛使用數(shù)據(jù)庫來重新設(shè)計高價化合物的合成路線。生態(tài)高效有機(jī)合成團(tuán)體的成員利用數(shù)據(jù)庫來探索合成想要的化合物的不同策略，以可持續(xù)性和成本來進(jìn)行評估。

數(shù)據(jù)庫可以從專利和論文中抓取所有與反應(yīng)有關(guān)的數(shù)據(jù)，使得化學(xué)家不用在茫茫文獻(xiàn)中搜尋論文，能直接獲得他們需要的信息

設(shè)計一種新合成路線是個辛苦的工作，“預(yù)測逆合成”工具幫助確保每一步反應(yīng)都有價值

預(yù)測

最后，數(shù)據(jù)庫囊括的化學(xué)和反應(yīng)數(shù)據(jù)之豐富也能被用來在實(shí)際進(jìn)行反應(yīng)之前預(yù)測反應(yīng)的情況?；蛘撸茉谝环N全新的分子被合成之前先預(yù)測它的性質(zhì)?！霸谶M(jìn)入實(shí)驗(yàn)室操作之前，在計算機(jī)中完成盡可能多的工作，這樣就節(jié)省了時間、能量、試劑和溶劑?！奔游鱽喺f道。

加西亞說，數(shù)據(jù)庫內(nèi)的“預(yù)測逆合成”工具能幫助重新設(shè)計整條路線，讓它更具效率。這是一個基于AI的工具，來自Reaxys研發(fā)部門與德國明斯特大學(xué)之間的合作，能讓新穎和已知的靶向分子的合成路線預(yù)測變得更容易。

“我在實(shí)驗(yàn)室工作的時候，還沒有那種工具，而它會讓我的工作容易許多倍！”她說道，“該工具預(yù)測特定化合物的合成路線，針對每一步驟給出反應(yīng)條件和原始文獻(xiàn)。那么，我就能選擇較短的合成路線，再利用數(shù)據(jù)庫探索每一步的修改，通過替換試劑或溶劑來讓反應(yīng)更加‘綠色’。假如你聚焦于十分高收率的反應(yīng)，那么甚至可能不需要提純，把產(chǎn)物簡單地過濾一遍就行?！?/p>

加西亞指出，這種工具能讓化學(xué)家的技能組合變得完整，提升和加快設(shè)計程序?！败浖軒椭鷥?yōu)化工藝路線，它對于替換和減少的建議能在極大程度上減少可能需要完成的實(shí)驗(yàn)數(shù)量。你如何才能預(yù)測出最‘綠色’的可能成果？”

數(shù)據(jù)庫包含機(jī)器可讀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使得它也能為其他AI和機(jī)器學(xué)習(xí)程序賦能。譬如，英國劍橋大學(xué)的一位化學(xué)工程師阿列克謝 ? 拉普金（Alexei Lapkin）教授使用數(shù)據(jù)已有好些年。其團(tuán)隊(duì)使用數(shù)據(jù)庫的大量化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)數(shù)據(jù)，建構(gòu)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，搜尋更高效的分子合成路線，通過建模、程序改善和生命周期最優(yōu)化尋找更清潔的化學(xué)過程?！袄孟嗤臄?shù)據(jù)在計算機(jī)中尋找改善后的合成可及性和更綠色的替代選項(xiàng)，這是一種完全不同的方法?！奔游鱽喺f。

你應(yīng)該從一開始就思考如何讓合成更加綠色。比如選擇高效的工藝路線，步驟數(shù)量應(yīng)該盡可能的少，考慮是否使用可持續(xù)來源的試劑和溶劑，考慮如何進(jìn)行提純。當(dāng)一個項(xiàng)目在一輪輪迭代和改良中發(fā)展時，數(shù)據(jù)庫使得化學(xué)家很容易在每一步中不斷應(yīng)用綠色化學(xué)的原則。

化學(xué)家可以本能地考慮使用乙醇來取代氯仿，因?yàn)橐掖嫉亩拘暂^低，而且能以生物質(zhì)為來源。計算機(jī)工具可以提出化學(xué)家可能沒有想到過的替代選項(xiàng)，這些替代選項(xiàng)可能表現(xiàn)得更加好?！邦A(yù)測逆合成類的工具能幫助執(zhí)行這一步，速度會比人工文獻(xiàn)檢索快得多，”加西亞說，“它們不會取代化學(xué)家，而是會加強(qiáng)化學(xué)家的工作，允許他們將精力集中在為每一步挑選更綠色的選項(xiàng)?！?/p>

資料來源ChemistryWorld