实验技巧

做有机合成反应的诀窍|第10篇“有机合成实验技巧”(和理学系实验室网站联合推出)

本文来自Chem-Station日文版 ものづくりのコツ|第10回「有機合成実験テクニック」(リケラボコラボレーション)  webmaster

翻译投稿 炸鸡 校对 白菜猪肉馅

这次和理学系实验室网站合作,我们会陆续推出十篇的“有机合成实验技巧”特集。

今天这篇是“有机合成实验技巧”系列的最后一篇了。各位读者看了标题都知道,在最后这一篇里我会告诉大家几个有机合成化学的实验诀窍。

笔者从大学四年级开始就参与了合成化学研究,到现在也已经有19年了。从学生到大学教师,我差不多合成出了10多种结构迥异的复杂的天然有机化合物了。

如果你问我我到底擅不擅长做合成,因为我是吃合成这碗饭的,所以我的回答是擅长的(虽然我现在基本不自己亲手动手做实验了)。

我现在指导的学生也有十来人了。其中不乏有天资聪颖者,这类学生能够很敏锐察觉出实验进行的顺不顺利,也有资质平平之辈,这类学生尽管很努力,但实验表现却不尽如人意。但并不是说资质平平的人就不能当个优秀的有机合成化学家,我见到过许多这类的学生突然开窍的事例。

看到这里的读者们请不要对自己的有机合成能力丧失自信。今天这篇文章,我会给大家传授几个有机合成实验的小诀窍

让我们好好想想接下来要做什么

可能有人只开一个反应,仔细地,全心全意地做一个反应,虽然那样未尝不可,但是从实验效率上来看,一次只做一个反应效率有点低,一般最好是同时或者错开时间开数个合成反应。

只开一个反应可能看不出不同人之间的差距,但当同时开多个反应时,不同人之间的差距就很明显,有人完成的很好而有人却弄的一团糟,不同人在完成时间和实验结果上也是天差地别。如果只是以一天为单位来看,可能不会有多大的差距,但是一年下来就会拉开巨大的差距

不擅长开反应的人几乎没有时间来计划开下一个反应;擅长开反应的人一边预测这次反应的结果一边思考下一步该怎么做,拿到反应结果后就可以迅速采取下一步行动。

想像一下你同时在进行多个彼此间毫无关联的反应。你能做好时间管理嘛?你知道哪个反应在哪个通风橱里吗?在那个反应尚在进行的时候,你能抓紧时间处理好这个反应后处理和产物精制吗?在哪做NMR和MS分析? 在多个任务同时进行时如果不经常思考这些问题的话有可能会出现重复的步骤,在可能出问题的环节不只考虑一种可能性,准备多个备案是很有必要的。

笔者还是个学生的时候,烟瘾很大,每次一到反应的空档期都会到吸烟区抽烟(吸烟有害健康,同学们不要学我)。每次在吸烟室抽烟时我都会思考下一步该怎么做。每次在反应进行的时候就思考下一步怎么做,这样的节奏很适合我,让我能在短时间内进行多个反应。做饭,运动的时候也是同理,在适当的时候停一下,思考下一步该怎么做,一个劲的埋头苦干反而会把事情弄糟。把握好实验的节奏就能很快地做完实验,研究进度也会推进。

而且晚上睡觉前或者上厕所的时候,我也常常思考实验上的事。和女朋友约会的时候,如果突然想到实验上的一些事,我就一股脑只想实验上的事,听不进女朋友说的话了。如果女朋友问我“你是爱我还是爱化学?”我肯定毫不犹豫地选择化学。

也许有人不喜欢这么拼命的生活,但是各位读者都明白,除非你是天才,如果你想要比别人更优秀,你必须要比别人更努力。就好像你平时只是业余打打羽毛球是不可能被国家队选中去参加奥林匹克运动会的。

总之,经常思考下一步的行动是做好合成实验的诀窍之一

整体看待化合物

官能团是指化合物上可以参与反应的部分(其他部分可能也会参与反应)。

比如,我要写醇氧化成醛。醇除了羟基外就没有其他官能团了,所以可以用R–OH表示,我们只需要关注OH(反应位点)就行了。

对于有两个及两个以上的官能团参与反应的化合物,就不会那么简单了。我们还必须写出我们不想让它参与反应的那个官能团。如果只有两个官能团的化合物那还不算太难,那对于含有5个,6个或者更多的官能团的超级复杂化合物那该如何是好呢?对于这类化合物,如果只看反应位点,就会忽略其他官能团也会参与反应的可能性(副反应),副反应有可能会导致碳骨架重排,导致进一步的副反应。

一些不擅长做实验的人,他们眼里只有反应位点,压根不关注其他位置

很多实验做的不错的人往往都会从整体看化合物。他们会考虑各个地方的反应可能性后再考虑实验。所以我认为要想做好合成实验,学会从一个宏观视角看待化合物是很重要的。

找到自己喜欢的反应

如果你有幸能在有机合成化学的研究道路上继续前进,你将会遇到形形色色的反应。

有机合成化学的乐趣在于能亲自动手把玩分子。在研究里,经常能遇到还没有被报道的化合物或是已知化合物的未知反应。

遇到陌生的化合物或反应时,仍能顺利推进反应就是一个有机合成者的优势了。即便是合成完全陌生的化合物,一个优秀的有机合成者仍然能顺利完成。话说回来,如果能认真学习失败反应背后的原因和现象,这也会成为自己的经验。但要注意的是,从这次的失败反应得来的经验和教训未必会用到下一次反应中。等到遇到相同的反应的时候,就是锻炼自己的时刻了。

因此,培养自己处理陌生反应的能力非常重要,我推荐大家可以试试用文献上的已知的反应当作练习。在练习当中会发现“咦,为什么反应进行的不顺利”,你就会发现化合物特有的问题。排除掉试剂的问题和自身的实验操作问题后那只可能是化合物的问题,这些经验同样会成为你宝贵的经验与教训

优秀的有机合成人员善于积累经验与教训。当然正式做反应之前要用模型化合物简单实验下以确认化合物能够发生反应。

有许多不善于做合成实验的人往往因为没有充裕的时间,即使尝试做了新反应后失败了,也来不及深入探究失败的原因就草草结束。一个反应也许看不出什么,但100个,1000个反应就会有巨大的差距。

不仅要看反应图,还要思考电子流向

在SciFinder等平台上仔细搜索的话,应该能找到刊登着虽不完全相同但是有着类似构造的化合物的可能的反应方法的文献吧。

搜索结果就像一张张菜谱一样展现在你面前。“那就一个个试吧,这个不行就下一个”这样的地毯式轰炸法也不是不可行,也不是不能找到想要的反应。但我个人不是很推荐这种不动脑子的方法。你要先弄清楚每个反应下会发生什么。至少得大概知道电子的流向(即反应机理)吧。

这样的话,你就会看到哪些反应对你有用,哪些反应对你没用。更为关键的一点是,即使现有的文献上并没有报道过这个反应剂,但只有反应机理相同,也是可以被拿来用的。这很关键,盲目不懂脑子的人是绝对不会想到这个的。

不擅长做合成反应的人如果不是现有文献的反应条件,很难做出反应。但对于善于做合成反应的人来说,只要电子流向一致(即反应机理差不多),就能做出文献上未被报道的反应。这样虽然不会每次都得到期望的反应产物,往往得到的都是意外的化合物,但这很有可能成为发现一个新反应的契机。实验室的搬砖人,何不偶尔停下手里繁忙的活,稍微多点思考呢~

总之先从小反应做起吧

大家做有机合成实验的目的都是合成目标产物吧。所以大家都会挑选适当的反应来合成自己想要的目标产物。但大家有没有想过套用某个反应合成目标产物的时候大家是否能理解这个目标化合物的性质呢?因为很有可能你下一次的目标化合物和这次的目标化合物具有一样的碳骨架,所以理解化合物具有什么样的性质非常的重要。

要清楚一个化合物有什么性质就要尝试诸如氧化,还原,酰化,保护之类的小规模试验反应。试完之后就会发现“原来加了这种试剂,○○会有反应”“原来这个化合物很容易被氧化”。

只是单纯看看有机化合物说说它有什么什么样的性质这一点也不难,但是你有实际拿着这个化合物反应过吗?比如这个化合物容易被氧化,那它到底容易被什么化学物质所氧化?

在实际中的实验,副反应也会不可避免地发生。副反应并非那么惹人讨厌的,通过副反应我们可以知道反应物的一些特点。只坐在办公室十指不沾阳春水的人是绝对不知道这些“特点”的,只有实际开反应的操作者才知道。但是相应的,也要投入一定的时间做大量的副反应才能发现这些“特点”。副反应也很有趣,比如你会忍不住惊叹“哇,这个TLC色谱好漂亮”除了不要做很危险的实验外,请尽情做吧(但不要用太昂贵的试剂哦)。

讨论!

讨论应该很常见吧。不善于做合成反应或者多是不善于做反应的人会在每周的例行报告会上表示自己一周没什么进展。被问为何这一周没什么进展会让讨论难以进行。而优秀的合成反应者能最大限度地在讨论中从前辈和教授那里汲取到知识。对优秀的合成反应者来说讨论是为了学到知识。笔者还是学生的时候,虽然没有足够的自信能超越我的教授,但我讨论前都会做足功课,提前做好各种反应,所以基本上不会被讨论会上同学们和教授抛出的问题问倒。虽然有些人的建议对自己没有什么意义,但也有的建议能给自己灵感“嘿,这个我或许可以一试!”

话说回来,不能参与到讨论中的人一定也不是个做合成实验的好手。所以,少年们,要在讨论上拿出勇气。

结束语

今天这篇内容我没有谈太多专业性的,各位读者感觉怎么样呢?许多不擅长做合成实验的人往往在讨论会上听的都云里雾里,不知道其他人在说什么;相反,优秀的合成者往往能听的头头是道。我想这篇内容里的经验不仅适用于有机合成化学实验,还适用于有机合成研究甚至所有的工作。一开始不擅长做合成反应的人也会变成擅长做合成反应的“大神”。希望读者们参考我在这篇文章给出的经验,努力成为一位优秀的有机合成实验者。

到此为止,“有机合成实验技巧”系列已经全部完结。在此衷心感谢读者们这一年来的阅读,谢谢你们~

作者介绍

山口润一郎(1979- ),日本青年化学家,东京理科大学博士。现为日本早稻田大学理工学院教授。Chem-Station法人代表。

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