当合成化学家和有机化学家必须为大多数实验室反应的失败做好准备时，成功似乎很难得。但我们是否过于执着于追踪成功的结果，以至于错过了隐藏在所谓“失败”中的关键知识？这正是一位当代化学家的思考。
Monica Perez-Temprano 博士大力倡导研究失败的实验，并将其置于任何研究的首要位置。她乐于面对意外。作为西班牙塔拉戈纳加泰罗尼亚化学研究所 (ICIQ, Institut Català d’Investigació Química / Institute of Chemical Research of Catalonia) 的课题组负责人，她激励团队成员始终保持开放的心态。“我特别希望听到那些不成功的反应。如果你只得到预期的结果，那你学到的东西非常少。恰恰是失败的反应能够提供多得多的信息。”
该团队致力于理解过渡金属催化中的相关有机金属过程，特别是利用第一过渡系金属实现的 C–H 官能化反应。他们一方面深入探究已知反应性的关键机理信息，另一方面推进他们称之为 U3D 的目标，即理解 (Understand)、发现 (Discover)、设计 (Design) 和开发 (Develop) 新型且更高效的过渡金属催化反应。其最初的构想是捕获关键的活性反应中间体，并将其作为知识构建单元 (KBB)，以简化化学转化的设计与开发。
图片由 Monica Perez-Temprano 博士制作
来源：https://www.iciq.org/research/research_group/dr-monica-h-perez-temprano/section/research_overview/。[访问日期：2021年11月26日]。
催化研究的现实
作为概念验证，该团队选择了基准反应来剖析研究发现并开展进一步探索。通过利用所积累的钴催化 C–H 官能化反应的基础知识，他们缩短了反应时间、降低了催化剂用量，并发现在这些过程中使用全氟醇作为添加剂具有有益效果。其他探索还发现，某些用作反应预催化剂的中间体具有发生局部转化的潜力。
Perez-Temprano 博士的工作与业界长期以来的愿望相一致，即为钯等贵金属催化剂寻找可靠的替代品。由于钯在污染控制装置中被广泛使用，全球性短缺已将其价格推至创纪录的水平：自 2016 年以来上涨了六倍多，如今其价值已超过黄金。然而，钯作为催化剂的多功能性和适用性使其优于更具可持续性、更易获得的替代品，而这正是寻找其替代品的难点所在。
在过去的几十年里，化学界发现，基于钴、镍或锰的催化剂在 C–C 键和 C–杂原子键形成反应中显示出良好前景。在 Pérez-Temprano 博士看来，钴具有独特的“变色龙”特性：根据金属中心所处的环境，它既可以表现得像钯 (Pd) 或铑，也可以像铁这类更具成本效益的替代金属。
对钴目前在合成方面局限性的观察表明：在配体辅助的 C–H 官能化过程中，只有三种转化涉及使用亲核试剂作为偶联伙伴。考虑到亲核试剂是钯催化交叉偶联反应中最常见的偶联伙伴之一，这一结果出人意料。在最近的工作中，该团队揭示了在使用亲核偶联伙伴时，高价钴(IV) 中间体如何在碳–硫键形成反应中发挥中间体的作用。希望这些发现能够促使其他课题组进一步探索高价钴化学在合成中的应用，将其作为贵金属的替代方案。
探寻隐藏的信息
目前，致力于让不成功的反应“起死回生”的研究者寥寥无几。考虑到可用的相关测试数据数量庞大，这一点值得重新审视。获取这些“失败”数据，使 Perez-Temprano 博士能够从机理角度走得更远。这使他们能够调整和确定溶剂或含有不同导向基团的起始原料，并在此基础上使其与各种不同的偶联伙伴发生反应。
有时，发现是在并行中实现的：在开展催化研究的同时完成机理研究，并交叉比对结果以寻找规律。结果表明，从机理角度可行的方法在催化中未必可行，反之亦然。因此，凭借课题组在机理研究方面的知识，他们在不同反应条件下使用其活性中间体库 (KBB)，从而开发出强有力的工具，用于解析与催化相关的化学转化。团队丰富的经验使他们能够考虑每一种结果，包括起初看似无关紧要的结果。
在并行开展工作时，机理研究可以预测结果，而催化研究则可以寻找相同的信号，并监测与反应步骤相关的动力学级数。团队知道，他们并非总能看到一切，但经验告诉他们，看不到某样东西并不意味着它不存在。
该团队的长期目标之一是全面理解这一背景下添加剂的作用。Perez-Temprano 博士认为，这是目前科学界关注不足的一个问题领域。“当你去掉某种并不出现在催化循环中的物质后，反应却无法进行，这就值得深思。如果在这里作出错误的解释，你就会完全误导自己的结论，并提出一个与实际情况不符的反应过程。”
Perez-Temprano 博士认为，目前化学界过于热衷于发表只展示成功结果的论文。失败的结果确实能告诉我们一些东西，揭示方法的局限性以及某种机理为何行不通。不成功的结果应当成为研究的起点，而不是作为脚注被埋没。
您可以通过LinkedIn联系 Monica，也可以访问课题组网站，或在Twitter上关注他们。
