「有机金属要怎麽设计ligand？」 博二时老板Oleg得了Welch Foundation的一个大奖 在拍摄得奖影片时 他回顾起实验室历年来的重大发现到底是怎麽来的？ 掐指算一算 除了发Science那篇的反应是精准执行以外 其实大概有70%的大发现出自於意外(serendipity) 两年後我参加Gordon Conference 一晚我在海报展握着啤酒 搭讪仰慕以久 borylation界的大师Milton Smith 他说我发现的alkyne borylation非常特别 我很不好意思的说这其实是意外的发现 我们原本不是要做这个反应 他笑了笑说 科学本来就是这样啊 :) 大师的话让我释怀不少 但我也开始思考 「那我们是不是直接try and error就好?」 我想这要回归到有机金属到底是在做甚麽? 有机金属化学大致上可以分成探讨结构性质与反应活性 而反应活性方面又可分为基础反应(fundamental reactions)与催化反应(catalysis) 催化反应多半是基础反应的累加 例如你所举例的C-C coupling就至少牵涉到三步基础反应: oxidative addition, transmetallation, reductive elimination 基础反应和催化反应的研究是相辅相成 有些研究者是两者均攻 但有更多的研究者是专攻一项 数十年来 基础反应和催化反应衍生出很不一样的研究策略 催化反应因为牵涉到多个因素.多步反应 往往顾此就会失彼 而难以直接以理论兼顾 要预测良好的催化剂 仅有少数已被广泛研究的反应 例如氢化.烯类聚合还算可行 这几年DFT理论计算大幅被引入 但一般针对产率.选择性和ee值进攻的研究几乎仍都是走暴力法找到最佳催化剂 新反应那就更不用说了 以我自己的经验 博班的主要发现都是新催化反应 虽一开始不是走暴力法 但其实也都不是我起初所预期的 我接近博班毕业时找过老板坦承：(扭)我觉得我好弱 Orz 如你提到的《The importance of stupidity in scientific research》 在催化反应方面我就只是像在海滩捡贝壳的小孩子 尽量去玩 现今Princeton化学系的系主任--David MacMillan 他就大力拥抱High-throughput的方法开发 他认为如果这麽多发现都来自於偶然 那不如就用最有效率的方法来试这些可能性 你说Suzuki教授不知道硷在Suzuki Coupling里有这麽大的影响 不太清楚Suzuki教授讲这句话的背景 我想他有一部份是谦虚 而就算是看起来一样的催化反应 都有可能因为选用的系统不同而走不一样的反应途径 这也使得反应机制探讨不那麽直观 当然 这不是说所有研究者都欠缺rational design MacMillan和Suzuki今日的成功绝对不是只靠抽乐透 就算最後得靠一一嚐试来找到最佳解 良好的rational design还是可以缩小搜寻的范围 与提高命中度 博三资格考口试提交的计画书被老板打枪过不知道多少次 我提议要用一些pincer complexes做特定催化反应 老板就会说 你为何觉得可以做得比人家好？ 我想说阿...不就试试看吗？ 有机金属催化不都这样？ 老板说 实际在做可能是都要试 但计画书一定要先能讲得出一番道理 要从分子结构的角度说明为什麽我的催化剂会比较好 而另一方面 基础反应就会是比较可以掌握在手中的科学 例如若只针对oxidative addition来看 我们相对上就能更有信心地从金属周遭的的立障.电子效应做判断 这十五年来崛起的pincer chemistry便是透过pincer ligand的三配位 把金属周边扣到剩下一至三个空配位做反应 大幅减少复杂性 如此一来反应便容易操控 也容易观测 Pincer ligand因此就会是一个提供适合有机金属基础反应研究的平台 如果为了一个目标做了rational design 把pincer系统的特性拉到极限 那就算没做成想做的事 也通常会有其他奇特的现象发生 例如创造一个非常缺电子的金属中心 这个金属若配上weakly coordinating anion 而没办法从阴离子得到电荷补偿 那便会开始东抓抓 西抓抓 发生C-H activation. C-X activation 甚至是更怪的重组反应 我博班着作其中一篇的主要发现是找到比第一代alkyne borylation更强40倍的催化剂 http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2015/SC/C5SC02161H#!divAbstract 但坦白说这篇最让我自豪的不是找到这个超强催化剂 而是透过rational design合成并单离出pi-complex (10-Ir-p-F3tol) 文章中有叙述怎麽合成和怎麽想 但实际上发生的顺序有些微不同 所以我回顾一下当时的情形 我是先设计合成我想像中的pi-complex 但配合光谱和解晶後发现是得到vinylidene的异构物 便马上把晶体结构和想到的其他两个异构物结构寄给回中国做教授的前博後 他透过理论计算发现我做出来的是热力学产物 (Fig. 7) 不过我会有机会得到动力学产物 我认为降低alkyne上的电子密度可以让pi complex --> vinylidene的异构化减慢 所以便合成新的alkyne 配上金属後发现异构化速度的确降了10倍! 这也让我可以单离而解出史上第一个alkynylboronate的pi complex 这说明rational design在基础反应上是管用的 不要脸的老王卖瓜时间结束了 又回到了你的问题 要怎样去学ligand? 去选ligand? 端看你做的研究是基础反应还是催化反应? 这会大大地影响到rational design的比例 但整体来说rational design对两者都绝对是有帮助的 (学习rational design对你未来的生涯也是有帮助的...) 若直接看催化反应的整理 那往往只会得到表面的结果论 我会建议你从基础反应.甚至一些结构性质的探讨论文或书籍看起 培养ligand知识的根基 看你的叙述 你也已发现你从基础反应里学得比催化反应来得多 在接触众多有机金属研究者中 博班老板Oleg是我见过少数可以把有机金属知识都贯通起来的人 键长.键角.反应性....信手拈来都可以讲出道理 我曾问过他 要怎麽做到这点 他说就阅读过去十年Organometallics发表的每篇文章 当然我想他有部份夸饰 但其实这样累积基础阅读培养的能力是无可取代的 很多有机金属老师的「感觉」便是这样来的 若你能更进一步用自己的说理来诠释这些「感觉」 那你便找到了自己的道路 共勉之 :) 俊毅Bird Man --

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