如何快速合成具有新颖性的药物小分子一直是药物研发中的瓶颈。有机化学家最初设计的合成路线往往受制于底物分子的结构多样化而需要在实验过程中进行多次修改，甚至全部推翻重来。

如何改善这个状况？药明康德研究服务部的科学家们认为，量子化学计算很多时候可以预测和解释有机化学反应的结果；把量子化学计算工具结合到有机合成路线设计中可以极大的提高有机化学家的工作效率。

量子化学的基础是薛定谔方程，由于它的计算复杂性，在二十世纪五六十年代化学家们先后提出了相对简化的前线轨道和有机反应中的分子轨道对称性守恒理论，从而使得人们可以用相对直观的形式将量子化学和有机化学结合起来，对有机化学反应进行定性分析。

得益于最近几十年来计算机硬件的飞速发展和量子化学理论及方法的不断完善，量子化学计算在实验室范围内的应用已成为可能。过去几年中药明康德研究服务部（WuXi AppTec Research Service Division）致力于把量子化学计算应用到有机合成化学领域，从中获取很多的经验，从而也坚定了进一步拓展量子化学计算在有机合成化学，以及人工智能路线设计方面应用的决心。通过在跨国药企、世界知名学府和美国化学学会年会上的展讲，药明康德量子化学计算的研究在业界也获得了广泛认可。

利用量子化学计算，目前我们开发的在有机合成的应用包括：

1.反应可行性和底物的反应活性预测：对于某些反应，我们通过计算并结合实验数据，可以确定反应发生的能量阈值。从这个结果，我们可以直接对其他未知底物进行计算并预测其反应活性，从中筛选出可行性高底物进行实验，节约大量人力物力和时间成本。

2.亲核反应的可行性和区域选择预测：对于亲核取代反应，我们通过对反应底物的计算结果分析（如HOMO/LUMO轨道，静电势图等）来预判反应的可行性，帮助有机化学家挑选成功几率最高的合成路线，提高路线设计的效率。在底物中有多个反应位点存在的情况下，上述结果还可以用来预测及解释亲核取代反应的区域选择性。

3.芳香体系中亲电卤代反应的区域选择性预测：如何确定芳香化合物的亲电卤化的优先反应位点一直是个挑战，运用量子化学计算可以方便快速地解决这个问题。根据量子化学计算结果有机化学家可以清晰了解卤代反应位点的优先次序，从而可以更高效的在芳环上引入取代基团。

4.判断金属催化偶联反应的区域选择性：在反应底物中有多个反应位点存在的情况下，通过计算反应底物的红外谱图，从中读取相关C-X键的伸缩振动频率，来判定优先发生反应的位点。

5.预测特定反应的速度：对于一些难以通过上述手段进行预测的反应，我们可以通过计算反应的活化能，来预测反应的活性和速度，从而判断反应的可行性，区域选择性等等。