有机金属催化剂的合成通常涉及敏感试剂和复杂不稳定的产物，因此极具挑战性。金属中心与配位基团之间相对较弱的键合意味着水配体和双氧配体可能会破坏所需的分子结构，因此通常需要在无氧无水的条件下进行反应。合成和表征之后，必须找到这些催化剂的最佳反应条件。铑、铱和钯等昂贵且不可持续的金属通常构成催化剂的中心，因此必须最大限度地减少它们的消耗。本文从两组变量的角度探讨了Easy DOE在三种铱催化剂的优化和分析中的应用。
第一组条件旨在确定催化剂的最佳工作条件，并有助于阐明其性能。测试的变量包括催化剂取代基（冠醚、甲氧基乙基或甲基）、底物、钠盐或锂盐的添加以及水的添加。第二组条件用于评估环境友好性，并参考了Anastas和Warner提出的绿色化学标准。测试的变量包括溶剂（传统溶剂如二氯甲烷与更环保的溶剂如乙腈）、氢气压力以及对氧气的敏感性。采用简易DOE软件设计这些实验，从而减少获得有效数据所需的输入。这两组条件共同描绘出最适合催化剂的化学环境，以及如何优化该化学反应以实现更环保的目标。
大家好，我叫JR Cobb。我在JMP公司实习，同时也是北卡罗来纳大学教堂山分校的本科生研究助理。今天，我将介绍我们如何使用JMP中的Graph Builder来表征这种特定铱配合物的氢化能力。这是我们研究小组探索阳离子控制催化这一更大目标的一部分。这种催化剂在没有锂存在的情况下没有催化活性。然后，如果我们加入一当量的锂，就能得到具有催化活性的配合物，它可以进行多种转化反应。
此前，这种催化剂已被证明能够催化烯烃的加氢反应。但在这项研究中，我们将探索当调节不同变量时，加氢性能的变化规律。首先，我们需要理解为什么要进行加氢反应。真正的答案在于，在双键上加氢具有引入新型官能团的巨大潜力，这些官能团能够使分子结构更加复杂有趣。例如，碳氮原子之间的π体系就叫做腈基。
如果将它氢化，就能得到胺。类似地，我们可以将酮还原成醇，将胺还原成胺。氢化反应可以实现很多转化。它能生成功能更丰富或具有不同功能的分子，这当然正是我们在化学中想要达到的目的。
在这项工作中，我们将探索烯烃的氢化反应，目标是实现选择性氢化。右侧的红色路径显示的是完全且非选择性的氢化反应。这意味着同时含有腈基和酮基的分子被完全还原了。
我们得到了胺和醇。但我们更希望（这与催化剂的设计以及反应条件有关）只还原其中一种化合物，因为这样可以更好地控制反应进程。例如，我们只想还原腈或只还原醇，而不是两者都还原。
在这项工作中，我们还将探索如何确保氢化反应对目标烯烃具有选择性，避免与其他分子发生反应。以下概述了我们的设想以及我们如何实现这些氢化反应。再次强调，这里展示的是我们催化惰性的络合物，我们希望观察不到任何反应发生。这是一个αβ不饱和酮的例子。我们希望在不向溶液中添加锂的情况下，不发生任何催化反应。
加入锂后，我们希望只还原这个双键，而保持碳氧双键不变。下表简要总结了我们使用的反应条件。
我们采用了一种小规模的高通量实验方法，每次实验处理18个样品瓶。在气相色谱样品瓶中，我们同时装入催化剂、锂活化剂（如果需要）、底物溶液、防止聚合的抑制剂以及内标物。然后在10 bar氢气压力下进行氢化反应1小时。之后，我们使用质子光谱、HSTC光谱和磁共振波谱监测反应进程和结果。
问题在于，我们有很多关于这种催化剂作用机制的问题需要了解。我们之前只知道这种催化剂可以氢化苯乙烯，这是我们唯一的基准信息。我们对这种催化剂的性能有很多疑问。这意味着我们需要做大量的实验。
我们想了解电子供体基团和吸电子基团对底物的影响。底物的取代如何影响产率？底物的实际几何构型是否会影响产率？我们想要解答所有这些问题，而这自然而然地促使我们需要进行可视化。最终，我们得到了超过70行数据，每一行都对应着一个核磁共振谱图。
虽然无论是1D质子谱还是2DHS QC谱，都能提供大量信息，但即使我们将结果汇总成一个大表格，也很难从中真正理解这种催化剂能够进行何种类型的氢化反应。这正是我们大量使用Graph Builder的原因。
我们希望创建可视化图表，帮助我们更好地掌握这些数据，而无需逐个分析光谱。这是一个略显杂乱但不错的初步示例，展示了如何集中处理所有产率数据。理想情况下，烯烃到相应烷烃的转化率非常高。这基本上涵盖了我们在这项工作中进行的所有实验。
我们立刻就能得出一些结论。首先，圆圈的大小与氢化反应的温度有关。小圆圈代表室温，大圆圈代表60摄氏度。圆圈的颜色与我们使用的活化剂有关。这种蓝色对应于一种叫做BARF锂的盐，稍后我会详细介绍，我们可以继续深入探讨。
紫色、绿色、红色和蓝色分别代表添加了不同的盐，或者根本没有添加盐。我们立即发现，这种邻位乙烯基苯甲醚底物在室温下具有非常高的氢化率。我们马上就知道，苯甲醚衍生物很容易被这种催化剂氢化。
同样地，在60摄氏度下加入锂BARF后，我们发现环状烷基化合物具有很高的氢化倾向。而一些体积较大的底物，例如四苯乙烯和四甲基乙烯，无论反应温度高低，也无论是否添加锂，都很难发生氢化反应。
这帮助我们掌握了应该选择哪些底物，但这张表格仍然很混乱。我们仍然很难逐一分析各个变量对氢化产率的影响。不过，鉴于苯甲醚衍生物具有相当高的氢化产率，我们希望研究其他苯乙烯衍生物。
例如，在苯乙烯分子（图中中间的分子）上添加一个甲基，就可以得到α-甲基苯乙烯。这个甲基被称为α碳。或者，如果将甲基添加到双键的另一侧，就可以得到反式-β-甲基苯乙烯。我们很好奇几何构型会产生什么影响。我们发现，苯乙烯的氢化产率很高，因为这个需要关注的双键没有空间位阻。而α-甲基苯乙烯由于带有这个甲基，氢化反应非常困难，产率只有35%。但如果将甲基放在双键的另一侧，产率就能达到十几个百分点。
这与我们最初在苯乙烯反应中观察到的结果越来越接近。我们还推测，由于锂离子与大环结合，我们可以得到一个带相对负电荷的甲氧基来配位该锂离子，并将双键引导得更靠近铱中心。
我们想做一个实验，分别考察甲氧基与乙烯基相邻和甲氧基与乙烯基相对两种情况下的产率。结果发现，邻位乙烯基苯甲醚和对位乙烯基苯甲醚的产率存在显著差异。这项研究非常有趣，它揭示了即使每个基团的分子量相同，底物的几何构型也会如何影响产率。
同样，我们可以通过两种方式显著提高氢化速率。一种是加热反应，这与我们之前在高温下对四种底物进行的研究有关。其中一种是2-环己烯-1，它含有一个双键和一个酮基。这是我们的选择性研究，也包括之前讨论过的环状烯烃。我们观察到，除了四亚甲基（其在紫色溶液中的产率仍然相对较低）之外，其他所有底物在60℃下产率均有所提高。
我们由此了解到，较高的温度更有利于氢化反应。此外，我们知道锂BARF（即此处所示的长链阴离子的简称）能够与大环配位，从而提高反应活性。但我们好奇的是，二价或三价阳离子是否能与大环结合得更牢固，从而进一步提高产率。
遗憾的是，使用三氟甲磺酸锂和三氟甲磺酰亚胺镁后，我们发现效果并没有好多少，实际上，三氟甲磺酸锂的效果甚至比不使用活化剂还要差。最后，我们想做的是使用立体B1参数，这些参数是对空间位阻的量化，我们用它来评估双键周围化学环境的拥挤程度。
在这种情况下，阶梯参数越高，烯烃的体积就越大。因此，我们推测这种底物与铱中心的结合会最为困难。这与我们观察到的在较低的总立体B1参数下的情况几乎完全一致。我们观察到更高的氢化产率，尤其是在使用锂棒并提高反应温度的情况下。
当Steremal B1参数接近6时，我们发现产率非常低。所有这些结果都可以通过JMP进行可视化，我们也从中了解到了这种催化剂的行为以及氢化反应机理。此外，我们还有许多未来的研究方向。我们可以利用DOE进行组合化学研究，合成以前从未合成过的新型催化剂。我们还可以进行筛选实验，以了解它们在氢化反应中的性能。
我们还可以通过引入更多连续数值变量来进行主成分分析，并充分利用 JMP 的各项功能，帮助我们了解我们课题组研发的催化剂在这个我们之前从未探索过的全新氢化领域中的表现。JMP 将使这一切成为可能，我们对此感到非常兴奋。
在此特别感谢北卡罗来纳大学米勒研究小组（这项研究是在该实验室进行的）、北卡罗来纳大学化学系以及质谱实验室（所有反应均在那里进行）。这项研究完全由美国国家科学基金会资助，而这正是我所获得的资助。
