化學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)手將人工智能應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)

在過(guò)去幾年中，研究人員越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)來(lái)幫助解決有機(jī)合成中的問(wèn)題。普林斯頓大學(xué)A.BartonHepburn化學(xué)教授AbigailDoyle實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)發(fā)了開(kāi)源軟件，為他們提供了最先進(jìn)的優(yōu)化算法，可用于日常工作，折疊在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域進(jìn)入合成化學(xué)。

普林斯頓化學(xué)家BenjaminShields和AbigailDoyle與計(jì)算機(jī)科學(xué)家RyanAdams(未圖示)合作開(kāi)發(fā)了可以?xún)?yōu)化反應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)軟件——使用人工智能來(lái)加速化學(xué)家過(guò)去必須逐一完成的數(shù)千種反應(yīng)。

拍攝者C.ToddReichart，化學(xué)系

該軟件采用貝葉斯優(yōu)化(BO)的關(guān)鍵原理，以實(shí)現(xiàn)更快、更高效的化學(xué)品合成。

基于確定條件概率的數(shù)學(xué)公式貝葉斯定理，BO是科學(xué)中廣泛使用的策略。從廣義上講，它允許人和計(jì)算機(jī)使用先驗(yàn)知識(shí)來(lái)通知和優(yōu)化未來(lái)的決策。

Doyle實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授RyanAdams以及Bristol-MyersSquibb的同事合作，將人類(lèi)的決策能力與軟件包進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工具比人類(lèi)參與者產(chǎn)生更高的效率，并且對(duì)測(cè)試反應(yīng)的偏見(jiàn)更少。他們的工作出現(xiàn)在最新一期的《自然》雜志上。

“反應(yīng)優(yōu)化在化學(xué)合成中無(wú)處不在，無(wú)論是在學(xué)術(shù)界還是在整個(gè)化學(xué)工業(yè)中，”Doyle說(shuō)。“由于化學(xué)空間如此之大，化學(xué)家不可能通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估整個(gè)反應(yīng)空間。我們希望開(kāi)發(fā)和評(píng)估BO作為合成化學(xué)的工具，因?yàn)樗诳茖W(xué)中的相關(guān)優(yōu)化問(wèn)題上取得了成功。”

本杰明·希爾茲(BenjaminShields)是Doyle實(shí)驗(yàn)室的前博士后研究員，也是該論文的主要作者，他創(chuàng)建了Python程序包。

“我來(lái)自合成化學(xué)背景，所以我非常欣賞合成化學(xué)家非常擅長(zhǎng)自己解決這些問(wèn)題，”希爾茲說(shuō)。“我認(rèn)為貝葉斯優(yōu)化的真正優(yōu)勢(shì)在于它允許我們對(duì)這些高維問(wèn)題進(jìn)行建模并捕捉我們自己可能在數(shù)據(jù)中看不到的趨勢(shì)，因此它可以更好地處理數(shù)據(jù)。

“第二，在一個(gè)空間內(nèi)，它不會(huì)被人類(lèi)化學(xué)家的偏見(jiàn)所阻礙，”他補(bǔ)充道。

該軟件最初是為了滿(mǎn)足Shields的博士要求而進(jìn)行的場(chǎng)外項(xiàng)目。Doyle和Shield隨后在計(jì)算機(jī)輔助合成中心(C-CAS)下組建了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，這是國(guó)家科學(xué)基金會(huì)在五所大學(xué)發(fā)起的一項(xiàng)計(jì)劃，旨在改變復(fù)雜有機(jī)分子合成的計(jì)劃和執(zhí)行方式。自2019年以來(lái)，Doyle一直是C-CAS的首席研究員。

“反應(yīng)優(yōu)化可能是一個(gè)昂貴且耗時(shí)的過(guò)程，”亞當(dāng)斯說(shuō)，他也是統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目的主任。“這種方法不僅使用最先進(jìn)的技術(shù)加速它，而且還找到了比人類(lèi)通常識(shí)別的更好的解決方案。我認(rèn)為這只是貝葉斯優(yōu)化在這個(gè)領(lǐng)域的可能性的開(kāi)始。”

用戶(hù)首先定義一個(gè)搜索空間——要考慮的合理實(shí)驗(yàn)——例如催化劑、試劑、配體、溶劑、溫度和濃度的列表。一旦準(zhǔn)備好該空間并且用戶(hù)定義了要運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)量，軟件就會(huì)選擇要評(píng)估的初始實(shí)驗(yàn)條件。然后它建議運(yùn)行新的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)越來(lái)越小的選擇進(jìn)行迭代，直到反應(yīng)得到優(yōu)化。

希爾茲說(shuō)：“在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，我試圖包括一些方法，讓人們可以注入他們對(duì)反應(yīng)的了解。”“無(wú)論你如何使用它或一般的機(jī)器學(xué)習(xí)，總會(huì)有人類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)有價(jià)值的情況。”

在過(guò)去幾年中，研究人員越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)來(lái)幫助解決有機(jī)合成中的問(wèn)題。

普林斯頓大學(xué)A.BartonHepburn化學(xué)教授AbigailDoyle實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)發(fā)了開(kāi)源軟件，為他們提供了最先進(jìn)的優(yōu)化算法，可用于日常工作，折疊在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域進(jìn)入合成化學(xué)。

普林斯頓化學(xué)家BenjaminShields和AbigailDoyle與計(jì)算機(jī)科學(xué)家RyanAdams(未圖示)合作開(kāi)發(fā)了可以?xún)?yōu)化反應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)軟件——使用人工智能來(lái)加速化學(xué)家過(guò)去必須逐一完成的數(shù)千種反應(yīng)。

拍攝者C.ToddReichart，化學(xué)系

該軟件采用貝葉斯優(yōu)化(BO)的關(guān)鍵原理，以實(shí)現(xiàn)更快、更高效的化學(xué)品合成。

基于確定條件概率的數(shù)學(xué)公式貝葉斯定理，BO是科學(xué)中廣泛使用的策略。從廣義上講，它允許人和計(jì)算機(jī)使用先驗(yàn)知識(shí)來(lái)通知和優(yōu)化未來(lái)的決策。

Doyle實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授RyanAdams以及Bristol-MyersSquibb的同事合作，將人類(lèi)的決策能力與軟件包進(jìn)行了比較。他們發(fā)現(xiàn)優(yōu)化工具比人類(lèi)參與者產(chǎn)生更高的效率，并且對(duì)測(cè)試反應(yīng)的偏見(jiàn)更少。他們的工作出現(xiàn)在最新一期的《自然》雜志上。

“反應(yīng)優(yōu)化在化學(xué)合成中無(wú)處不在，無(wú)論是在學(xué)術(shù)界還是在整個(gè)化學(xué)工業(yè)中，”Doyle說(shuō)。“由于化學(xué)空間如此之大，化學(xué)家不可能通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估整個(gè)反應(yīng)空間。我們希望開(kāi)發(fā)和評(píng)估BO作為合成化學(xué)的工具，因?yàn)樗诳茖W(xué)中的相關(guān)優(yōu)化問(wèn)題上取得了成功。”

本杰明·希爾茲(BenjaminShields)是Doyle實(shí)驗(yàn)室的前博士后研究員，也是該論文的主要作者，他創(chuàng)建了Python程序包。

“我來(lái)自合成化學(xué)背景，所以我非常欣賞合成化學(xué)家非常擅長(zhǎng)自己解決這些問(wèn)題，”希爾茲說(shuō)。“我認(rèn)為貝葉斯優(yōu)化的真正優(yōu)勢(shì)在于它允許我們對(duì)這些高維問(wèn)題進(jìn)行建模并捕捉我們自己可能在數(shù)據(jù)中看不到的趨勢(shì)，因此它可以更好地處理數(shù)據(jù)。

“第二，在一個(gè)空間內(nèi)，它不會(huì)被人類(lèi)化學(xué)家的偏見(jiàn)所阻礙，”他補(bǔ)充道。

該軟件最初是為了滿(mǎn)足Shields的博士要求而進(jìn)行的場(chǎng)外項(xiàng)目。Doyle和Shield隨后在計(jì)算機(jī)輔助合成中心(C-CAS)下組建了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，這是國(guó)家科學(xué)基金會(huì)在五所大學(xué)發(fā)起的一項(xiàng)計(jì)劃，旨在改變復(fù)雜有機(jī)分子合成的計(jì)劃和執(zhí)行方式。自2019年以來(lái)，Doyle一直是C-CAS的首席研究員。

“反應(yīng)優(yōu)化可能是一個(gè)昂貴且耗時(shí)的過(guò)程，”亞當(dāng)斯說(shuō)，他也是統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目的主任。“這種方法不僅使用最先進(jìn)的技術(shù)加速它，而且還找到了比人類(lèi)通常識(shí)別的更好的解決方案。我認(rèn)為這只是貝葉斯優(yōu)化在這個(gè)領(lǐng)域的可能性的開(kāi)始。”

用戶(hù)首先定義一個(gè)搜索空間——要考慮的合理實(shí)驗(yàn)——例如催化劑、試劑、配體、溶劑、溫度和濃度的列表。一旦準(zhǔn)備好該空間并且用戶(hù)定義了要運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)量，軟件就會(huì)選擇要評(píng)估的初始實(shí)驗(yàn)條件。然后它建議運(yùn)行新的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)越來(lái)越小的選擇進(jìn)行迭代，直到反應(yīng)得到優(yōu)化。

希爾茲說(shuō)：“在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，我試圖包括一些方法，讓人們可以注入他們對(duì)反應(yīng)的了解。”“無(wú)論你如何使用它或一般的機(jī)器學(xué)習(xí)，總會(huì)有人類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)有價(jià)值的情況。”