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化学分享之~有机合成经验总结(三)

设计实验验证

设计实验来验证假设是一个很重要的方法,很多时候找不出原因,是因为很多研发人员,将假设仅仅停留在假设上,而没有想到设计一些实验去验证,没有验证的假设永远只是假设。对待理论的态度也是一样的,未经验证的理论可以指导实验,但是,在脑袋中一定要有一个概念,这是未经验证的,这样,一旦出现异常,立即就可以反应过来。因此我想到对待理论的态度究竟是证伪还是证真,哪一种更有效率,更有效果呢?我认为科学研究的办法一般是证伪而不是证真,即假定所得出的结论是不正确的,然后依据这个观点来进行实验证实。证伪的好处在于怀疑,因为无论所得的何种结论,它们都有建立的基础,既然如此,基础的局限性导致得出的结论也一定具有局限性,如果假定判断是错误的的话,就会不断设计各种实验来验证这种错误存在的可能性,这样就可以不断以严谨的方式来拓宽这个结论的应用范围,而由于整个认知系统是开放的,一旦存在异常,就可以很快做出反应,所以对于由不完全归纳法所得出的结论具有很强的实用性;而如果采用证真的手段,当假定判断为真,设计几个实验验证后,就会出现认为结论理所当然为真的情况,并从心里接受然后默认它,而行事准则也会不自觉地依此而行,当有异常出现时就会出现不自觉地抵制现象,从而丧失机会。历史上科学发展的很多事例都表明了这样一个道理,以至于有人认为要想改变一个观念,除非换一代人(量子力学等)。因此,从合理性的角度而言,证伪比证真更有利于科学的发展。

理论的缺乏实际上可以用设计实验来弥补,这一条可以这么来理解,比如我们都知道温度升高,反应速度加快,但是有一个人不知道这条,他只知道温度是一个影响因素,只知道设计实验,那么他怎么办呢,他只需设计两个实验,分别在高温和低温下试一下,然后看看反应情况就可以了,而且他所获取的信息,如副反应的情况等,比书上的理论要大多了。这些方法在一些自己不熟悉的领域又时间紧迫的情况下尤其实用。这也是我所说的研发是高强度的脑力劳动的原因之一,因为只有通过设计实验,才可以真正体现和验证真实的规律。

我们不妨回顾一下研发的重新定义:研发结论不是检测出来的,而是设计和实验出来的。因此想要得到好的实验结果,必须以预测为主,在整个实验过程中建立起分析体系,实行规律研究,运用逻辑性的方法,以确保得到所需结论。去体会一下GMP的控制,会有收获的。

呵呵,我曾经总结了一下思维的三种状态,和你分享一下:

1)以自己的自发的思维进行判断,其间阅历与知识影响很大。属于低层次的无招阶段。

2)依据古人或现人规则进行判断。此类优于一然容易教条,学术界很多

3)应时而变,依据天地规律形成思维判断,寻其根源。为高层次无招。

个人认为处于第二种状态的话,是可以用既定流程来套的,虽然不是最好,但已经比第一种状态要强很多了。不经过2而进入3不太可能,呵呵,当然这也属一家之言。

我也曾怀疑过,不过后来看了看,除气功大师特异功能不是很清楚外,其他方面倒好解释,象爱因斯坦,我想,如果全世界的人都和他做同一个课题的话,呵呵,可能就不是他第一个发现相对论了。

做通一个反应要强于泛泛做十个反应。我一直认为,研发过程中流程的考虑是重要的,因为无论做什么化合物的研发,这些都是需要的,就和体育中的基本功一样,只要将这些训练好了,做其他反应就可以如鱼得水。比如以单个反应为例,反应中涉及的内容相当多,主要方面我想就有:

1)物理化学,主要是化学热力学和化学动力学,

2)有机化学,主要研究骨架的构建和官能团的转化,

3)化学工程,主要研究三传一反(即传热、传质、传递,反应器)

4)分析化学,主要为其它三种学科作强有力的支持

如何寻找与我们所研究的这个反应相关的这些方面的内容,这就是一个关系到资料查阅的比较重要的过程,直接影响到反应的进度和深度,因此将这个过程分析清楚并不断训练这方面技能,我想要比单纯泛泛去读一些书籍,记忆一些机理要有用多了吧。

其次需要了解一些文字背后的含义,并理解每一个学科的应用范围,有机化学知识主要用于路径设计与合成参考,而其他三个方面在工艺优化方面是非常常用的。研发在考虑问题方面是经历由简到繁再由繁到简的过程的,就以加料方式来说吧:原料A加入原料B中所包含的需有所考虑的信息我初步想了一下,需要考虑的有:

1) 各个原料的纯度

2) 加料方式,包括正加、反加、并加、滴加、一次加入等方面

3) 加料温度

4) 检测项目和检测点的设立

5) 是否需要使用反应溶剂进行溶解稀释加料,如使用选用什么溶剂合适

6) 物质量的配比

7) 加料器型式

8) 反应器型式

9) 加料时状态,如是否搅拌等

然后应从这些方面进行本质的研究,如因加料方式不同可能会有浓度(这很容易理解)、溶剂(B加入A中是以A为溶剂,反之亦然,如果有其他溶剂还需另行考虑)、反应本身特性(如双官能团等可能产物就会不一样)、热效应(如剧烈放热反应如何加料好)、反应是否可以平稳(是否放出气体)等方面所造成的影响,这些影响会产生什么样的后果,而这些后果又可以如何利用等,如在加料时有比较强热效应,就需要考虑滴加的形式,这样反应平稳,不致局部过热,然后就要考虑到其他的可以消除热效应的方式,如反应器型式、搅拌方式和转速等。这些问题如果考虑不周密,在中试和大生产中就很容易出问题,如热效应问题,气体排放问题等,在扩大过程中我所听到的就不是一次两次出现过事故。

细节往往决定成败,有一次我接手另一个研究人员做了一个多月没做好的项目,指导他继续做,他的反应收率一直做不好,我在看了些文献并看了他的反应状况后,告诉他,加大加热,提高搅拌转速,结果收率一下提高近十个百分点,其实道理很简单,文献所提供的温度是溶剂沸点温度约接近200度,反应是液固多相反应,所以此反应进行有一定困难,当时他严格控制反应温度,回流太小,再加上搅拌慢,反应状况不好是很自然的。其实我觉得对于他而言,要找出问题的原因也不是很复杂,如果他能够使用仪器跟踪反应的话,很快可以知道是反应速度问题,然后看哪些因素可以解决这个问题就可以了,不过因为当时这个化合物是一个比较新的化合物,文献介绍很少,分析方法需自己建立,而且这化合物在各种溶剂中溶解度都不是很好,研究分析条件很麻烦,再加上他也不是很重视分析,所以吃苦头是必然的,我发现,很多时候研发遇到困难主要是源于思想和行动的惰性,试想想,依照文献坐着等结果比忙着研究检测方法要舒服多了。

应用合成研究

文献查阅期间注意点是,对每一中间步骤的产物都要进行CA合成查阅,进行归纳;对于要多路径选择的课题,要综合考虑,成本+反应是否绿色+原料是否易得+等等

反应路径选择已定情况下,第一次要参考文献,进行实验,了解实验中出现的情况,对于每一个现象都要有解释,TLC跟踪;对于操作程序要知其所以然,比如为什么要N2保护,文献上一般都要,其实实际当中并不需要;比如酸洗,碱洗,为什么要这样.

如果参照文献作出来收率达到要求,那似乎就可以了,其实还不然,在收率和纯度既定的情况下,竞争的就是成本,国内的开发人员(如果只是仿照国外工艺做)一定要把成本降到最底;比如,为什么要N2保护,不保护又怎么样;能用水作反应溶剂吗?反应溶剂的量难道不能少吗?为什么非要用乙醚或者混合溶剂萃取,更便宜的萃取溶剂不行吗?为什么要用500ml乙酸乙酯萃取,或许50ml就够了?实验室可以旋转蒸发,能不能常压蒸溶剂?(按中国的设备,减压蒸溶剂最少要损失20%).反应中回用问题怎么解决,包括催化剂的回用;是否可用非均相的催化剂,是否还可以降低催化剂的量?甚至包括每一步的生产次序,白天过滤还是晚上过滤,我了解的一个项目,仅仅是对生产过程进行系统优化,将能耗降低40%,成本降低20%.

如果参照文献作出来收率没有达到要求,甚至很底.接下去作的不要考虑马上做改变条件,而是要先确定一个问题:是反应还是分离的问题,最好能用hplc or Gc定出反应收率;这一点我是花费半年的精力得到的教训.后来好几个项目,都是解决分离问题,收率一下子就提高了.当然,很多时候,反应本身就是这么点收率,那么尝试一段时间条件以后,该体系下的最佳收率就是那么点了,不用做太多条件的.节下来的问题就是,考虑反应的副反应是什么?

化学归根结底还是一门实验科学,因此,机理也好,假说也好,理论也好,没有实验的支撑,那什么都不是。在网上常可以看到机理的题目,有很多高手,画起来头头是道,让人一看很有道理,不过问题在于,他们的机理大多是在实验现象出来以后的一种解释,而更为重要的是,很多人仅仅停留在解释上,化学是一门严谨的科学,每一种解释或假说如果没有证据,就只能作为一个记忆的工具而已,而且单个证据也不是很充足。因此,我认为更为重要的一个过程是如何设计实验去验证这种假设,如果验证后,再如何设计实验去验证这个假说的适用范围,实际上,如果看多了高水平的文章,就会发现,他们有一个共同的特点,就是结构都是很严谨的,每一个说法都是有充足的证据的,甚至有时让人觉得似乎多此一举,但是科研只有这样,才可以维持正确的研究方向,才能做出高水平的东西。很多文章并不需要很高的实验水平,但是可以发在JACS,JOC上,就是在一些细节的处理上不一样啊。研发也一样,你只有有别人所忽视的东西,才可以保持技术的先进性。

研发中所涉及的对各种因素的考虑也是同样的道理,除非有充足的证据,否则就不能够想当然。实验很多时候就是一层窗户纸,但是如果没有合适的方法,连窗户都找不到,怎么可能去捅破这层窗户纸呢。有一个研发人员做一个简单的铁粉还原的反应,做了很久也没做好,他变化了很多条件,温度,溶剂等等,但是最终还是没有找出原因,当时我建议他说:“是不是你的铁粉有问题啊。”“我想过铁粉的问题,不过我们一般都在一家试剂商店买东西,只有这种铁粉,上其他地方买麻烦,不过看来要试一下了。”“你不妨这样做,找一个有你还原的官能团的普通化合物,以标准的方法用你的铁粉还原一下看看结果就可以了,这样你就可以确认铁粉究竟有没有问题,免得下次换了铁粉万一有问题还是找不出原因。”后来发现果然是铁粉影响反应。呵呵,如果上论坛搜索一下,会发现相当多的同类的因原料或催化剂、溶剂等造成或研发不成功或生产出问题的事件,而这些事件之所以让这些研究者印象深刻,是因为吃了苦头、耽误了时间的,而且,如果没有正确的方法,几乎可以肯定,同样的问题在一部分研究人员身上还会出现。

因此,我考虑:1、反应中的所有影响因素是可以考虑全的。2、逐个了解这些因素的影响是可能的。这两点是合成逻辑性可能性存在的基础。所以,我认为合成高手,是造势的高手,他能够运用设计实验,了解各种影响因素,同时运用一些辅助的措施,从而造成一种态势,使内行觉得他必定可以得到想要的结论,只是一个时间上的问题,这便是合成研发的逻辑性。

我觉得这个观念的意义不在观念本身,而在于完成了一个可以不断积累的可持续发展的架构,余下的工作只是向里面添加内容,依靠这样的方式,我想,在合成研发上应该会有所突破吧.

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