有機金屬催化劑的合成通常涉及敏感試劑和複雜不穩定的產物，因此極具挑戰性。金屬中心與配位基團之間相對較弱的鍵結意味著水配體和雙氧配體可能會破壞所需的分子結構，因此通常需要在無氧無水的條件下進行反應。合成和表徵之後，必須找到這些催化劑的最佳反應條件。銠、銥和鈀等昂貴且不可持續的金屬通常構成催化劑的中心，因此必須最大限度地減少它們的消耗。本文從兩組變數的角度探討了Easy DOE在三種銥催化劑的最佳化和分析中的應用。
第一組條件旨在確定催化劑的最佳工作條件，並有助於闡明其性能。測試的變數包括催化劑取代基（冠醚、甲氧基乙基或甲基）、底物、鈉鹽或鋰鹽的添加以及水的添加。第二組條件用於評估環境友善性，並參考了Anastas和Warner提出的綠色化學標準。測試的變數包括溶劑（傳統溶劑如二氯甲烷與更環保的溶劑如乙腈）、氫氣壓力以及對氧氣的敏感性。採用簡易DOE軟體設計這些實驗，從而減少獲得有效數據所需的輸入。這兩組條件共同描繪出最適合催化劑的化學環境，以及如何優化化學反應以實現更環保的目標。
大家好，我叫JR Cobb。我在JMP公司實習，同時也是北卡羅來納大學教堂山分校的大學部研究助理。今天，我將介紹我們如何使用JMP中的Graph Builder來表徵這種特定銥配合物的氫化能力。這是我們研究團隊探索陽離子控制催化這一更大目標的一部分。這種催化劑在沒有鋰存在的情況下沒有催化活性。然後，如果我們加入一當量的鋰，就能得到具有催化活性的配合物，它可以進行多種轉化反應。
此前，這種催化劑已被證明能夠催化烯烴的加氫反應。但在這項工作中，我們將探索當調節不同變數時，加氫性能的變化規律。首先，我們要先理解為什麼要進行加氫反應。真正的答案在於，在雙鍵上加氫具有引入新型官能基的巨大潛力，這些官能基能夠使分子結構更加複雜有趣。例如，碳氮原子之間的π體係就叫做腈基。
如果將它氫化，就能得到胺。類似地，我們可以將酮還原成醇，將胺還原成胺。氫化反應可以實現很多轉化。它能生成功能更豐富或具有不同功能的分子，這當然正是我們在化學中想要達到的目的。
在這項工作中，我們將探索烯烴的氫化反應，目標是實現選擇性氫化。右側的紅色路徑顯示的是完全且非選擇性的氫化反應。這意味著同時含有腈基和酮基的分子被完全還原了。
我們得到了胺和醇。但我們更希望（這與催化劑的設計以及反應條件有關）只還原其中一種化合物，因為這樣可以更好地控制反應進程。例如，我們只想還原腈或只還原醇，而不是兩者都還原。
在這項工作中，我們還將探索如何確保氫化反應對目標烯烴具有選擇性，避免與其他分子反應。以下概述了我們的設想以及我們如何實現這些氫化反應。再次強調，這裡展示的是我們催化惰性的絡合物，我們希望觀察不到任何反應發生。這是一個αβ不飽和酮的例子。我們希望在不向溶液中添加鋰的情況下，不會發生任何催化反應。
加入鋰後，我們希望只還原這個雙鍵，而保持碳氧雙鍵不變。下表簡要總結了我們所使用的反應條件。
我們採用了小規模的高通量實驗方法，每次實驗處理18個樣品瓶。在氣相層析樣品瓶中，我們同時裝入催化劑、鋰活化劑（如果需要）、底物溶液、防止聚合的抑制劑以及內標物。然後在10 bar氫氣壓力下進行氫化反應1小時。之後，我們使用質子光譜、HSTC光譜和磁振造影波譜監測反應進程和結果。
問題在於，我們有很多關於這種催化劑作用機制的問題需要了解。我們之前只知道這種催化劑可以氫化苯乙烯，這是我們唯一的基準資訊。我們對這種催化劑的性能有很多疑問。這意味著我們需要做大量的實驗。
我們想了解電子供體基團和吸電子基團對底物的影響。底物的取代如何影響產率？底物的實際幾何構型是否會影響產率？我們想要解答所有這些問題，而這自然促使我們需要進行視覺化。最後我們得到了超過70行數據，每一行都對應一個核磁共振光譜。
雖然無論是1D質子譜還是2DHS QC譜，都能提供大量信息，但即使我們將結果匯總成一個大表格，也很難從中真正理解這種催化劑能夠進行何種類型的氫化反應。這正是我們大量使用Graph Builder的原因。
我們希望創建視覺化圖表，幫助我們更好地掌握這些數據，而無需逐一分析光譜。這是一個略顯雜亂但不錯的初步範例，展示如何集中處理所有產率數據。理想情況下，烯烴到相應烷烴的轉化率非常高。這基本上涵蓋了我們在這項工作中進行的所有實驗。
我們立刻就能得出一些結論。首先，圓圈的大小與氫化反應的溫度有關。小圓圈代表室溫，大圓圈代表60攝氏度。圓圈的顏色與我們使用的活化劑有關。這種藍色對應於一種叫做BARF鋰的鹽，稍後我會詳細介紹，我們可以繼續深入探討。
紫色、綠色、紅色和藍色分別代表添加了不同的鹽，或根本沒有添加鹽。我們立即發現，這種鄰位乙烯基苯甲醚底物在室溫下具有非常高的氫化率。我們馬上就知道，苯甲醚衍生物很容易被這種催化劑氫化。
同樣地，在60攝氏度下加入鋰BARF後，我們發現環狀烷基化合物具有很高的氫化傾向。而一些體積較大的底物，例如四苯乙烯和四甲基乙烯，則很難氫化。無論反應溫度高低，也無論是否添加鋰，這些底物都難以氫化。
這幫助我們掌握了應該選擇哪些底物，但這張表格仍然很混亂。我們仍很難逐一分析各個變因對氫化產率的影響。不過，鑑於苯甲醚衍生物具有相當高的氫化產率，我們希望研究其他苯乙烯衍生物。
例如，在苯乙烯分子（圖中中間的分子）上加入一個甲基，就可以得到α-甲基苯乙烯。這個甲基被稱為α碳。或者，如果將甲基加到雙鍵的另一側，就可以得到反式-β-甲基苯乙烯。我們很好奇幾何構型會產生什麼影響。我們發現，苯乙烯的氫化產率很高，因為這個需要關注的雙鍵沒有空間位阻。而α-甲基苯乙烯由於帶有這個甲基，氫化反應非常困難，產率只有35%。但如果將甲基放在雙鍵的另一側，產率就能達到十幾個百分點。
這與我們最初在苯乙烯反應中觀察到的結果越來越接近。我們也推測，由於鋰離子與大環結合，我們可以得到一個相對負電荷的甲氧基來配位該鋰離子，並將雙鍵引導得更靠近銥中心。
我們想做一個實驗，分別檢視甲氧基與乙烯基相鄰和甲氧基與乙烯基相對兩種情況下的產率。結果發現，鄰位乙烯基苯甲醚和對位乙烯基苯甲醚的產率有顯著差異。這項研究非常有趣，它揭示了即使每個基團的分子量相同，底物的幾何構型也會如何影響產率。
同樣，我們可以透過兩種方式顯著提高氫化速率。一種是加熱反應，這與我們先前在高溫下對四種底物進行的研究有關。其中一種是2-環己烯-1，它含有一個雙鍵和一個酮基。這是我們的選擇性研究，以及先前討論過的環狀烯烴的研究。我們觀察到，除了四亞甲基（其在紫色溶液中的產率仍然相對較低）之外，其他所有底物在60℃下產率均有所提高。
我們由此了解到，較高的溫度更有利於氫化反應。此外，我們知道鋰BARF（即此處長鏈陰離子的簡稱）能夠與大環配位，從而提高反應活性。但我們好奇的是，二價或三價陽離子是否能與大環結合得更牢固，進一步提高產率。
可惜的是，使用三氟甲磺酸鋰和三氟甲磺酰亞胺鎂後，我們發現效果並沒有好多少，事實上，三氟甲磺酸鋰的效果甚至比不使用活化劑還要差。最後，我們想做的是使用立體B1參數，這些參數是對空間位阻的量化，我們用它來評估雙鍵周圍化學環境的擁擠程度。
在這種情況下，階梯參數越高，烯烴的體積就越大。因此，我們推測這種底物與銥中心的結合會最為困難。這與我們觀察到的在較低的總立體B1參數下的情況幾乎完全一致。我們觀察到更高的氫化產率，尤其是在使用鋰棒並提高反應溫度的情況下。
當Steremal B1參數接近6時，我們發現產率非常低。所有這些結果都可以透過JMP進行視覺化，我們從中了解到這種催化劑的行為以及氫化反應機制。我們也有很多未來的研究方向。我們可以利用DOE進行組合化學研究，合成從未合成過的新型催化劑。我們也可以進行篩選實驗，了解它們在氫化反應中的表現。
我們也可以透過引入更多連續數值變數來進行主成分分析，並充分利用 JMP 的各項功能，幫助我們了解我們課題組研發的催化劑在這個我們之前從未探索過的全新氫化領域中的表現。 JMP 將使這一切成為可能，我們對此感到非常興奮。
在此特別感謝北卡羅來納大學米勒研究小組（這項研究是在該實驗室進行的）、北卡羅來納大學化學係以及質譜實驗室（所有反應均在那裡進行）。這項研究完全由美國國家科學基金會資助，而這正是我所獲得的資助。
