平行筛选为何正在改变选择性加氢

在每个催化项目中，总有那么一刻，你会意识到自己一次只做一个实验的时间实在太长了。搭建反应器、加入底物、充入氢气、等待、取样、分析、清洗，然后周而复始。如果再乘以八种催化剂、三个温度和两个压力，你甚至还没开始看出规律，就已经耗费了数周的实验室时间。

这正是所有从事选择性加氢研究的人所面临的现实：得到目标产物还是非目标产物，可能仅仅取决于某个你一直没来得及测试的变量。

逐一筛选催化剂的问题

选择性部分加氢是精细化学品和药物合成中最具商业价值的转化之一。无论是在保留芳基卤键的同时还原硝基，还是将炔烃加氢为顺式烯烃而不过度加氢生成烷烃，所面临的挑战都是一样的。催化剂、压力、温度乃至溶剂都会影响最终产物，而它们的“意见”往往与你的期望相左。

传统的单反应器筛选会形成瓶颈，而这一瓶颈与化学无关，完全是后勤问题。当每个实验都要耗费大半天时间，而你又需要数十个数据点来描绘选择性全貌时，限制速率的就不再是动力学，而是日程安排。

同时运行八个实验会带来哪些改变

牛津大学的研究人员与庄信万丰合作，开发了一类用于选择性加氢的新型间隙硼原子修饰钯催化剂，他们恰恰面临这一挑战。这项发表在Nature Communications上的研究，旨在为林德拉 (Lindlar) 催化剂提供一种更环保的替代方案——林德拉催化剂虽然应用广泛，但依赖有毒的铅添加剂，存在诸多问题。¹

为了在多种底物上将其 Pd-intB/C 催化剂与常规 Pd/C 和林德拉催化剂进行比较评估，他们使用了 H.E.L ChemSCAN 平行反应器系统。他们在受控的压力和温度下对氯硝基苯、3-己炔-1-醇、二苯乙炔和苯乙炔进行加氢反应，并能够并行监测每个反应的实时氢气吸收曲线。氢气吸收量分析不仅仅是为了方便——它正是揭示不同催化剂之间显著选择性差异的主要分析方法。在氯硝基苯还原反应中，Pd-intB/C 体系对邻氯苯胺的选择性达到 95.4%，而商用 Pd/C 仅为 42.8%，这一差异直接体现在吸收量数据中。

在庄信万丰的另一项研究中，Corbos 及其同事使用同一 ChemSCAN 平台，筛选了不同组成的双金属 PdAu 纳米颗粒，用于氯硝基苯加氢和过氧化氢直接合成。²他们制备了 Pd/Au 重量比分别为 75/25、50/50 和 10/90 的催化剂并同时进行测试，发现双金属颗粒的几何结构比单纯的组成更为重要。表面富钯、核心富金的颗粒在反应速率和选择性之间实现了最佳平衡。这种构效关系的认识几乎不可能从逐一进行的实验中获得，因为每天实验装置的差异会引入混杂变量。

气体吸收量数据比您想象的更重要

配备完善仪器的平行反应器系统有一项常被低估的能力：实时计算气体消耗量。在 ChemSCAN 平台上，吸收量灵敏度约为 0.04 mmol 气体消耗量，相当于约 0.1 bar 的压力变化。这一分辨率足以区分二取代炔烃的第一步和第二步加氢，或在过度还原失控之前及时发现其开始。

在牛津大学的研究中，氢气吸收曲线是证明硼修饰催化剂能够抑制过度加氢的关键证据。对于 Pd-intB/C 催化剂，速率发生变化的拐点（对应于从炔烃加氢到烯烃加氢的转变）清晰可辨；而在苯乙炔等具有挑战性的末端炔烃上，林德拉催化剂则没有出现这一拐点。这一现象在同一轮实验中的多种底物上反复出现，其对间隙修饰作用的论证远比任何单个实验都更有说服力。

为您的筛选计划选择合适的自动化程度

并非每个实验室都需要相同程度的平行控制，ChemSCAN 系列的设计正体现了这一点。ChemSCAN SA 可对多达八个反应区进行半自动控制，各反应区温度和搅拌独立控制，但共用进气管路，非常适合在统一压力条件下比较性能的初步催化剂筛选。标准型 ChemSCAN 增加了自动压力控制和三路共用进气，可建立多步充气程序，从而揭示机理细节。而 ChemSCAN+ 则将独立控制延伸到每个反应器，具备独立进气、独立排气和吹扫功能，所有参数均可全自动控制。这使其成为实验设计 (DoE) 项目的首选工具，在此类项目中每个反应器都真正运行各自的方案。

对于牛津大学这样的团队——同时测试反应性差异很大的不同底物——ChemSCAN+ 架构的独立控制能让每个反应釜在各自的优化条件下运行，而不必采用单一的折中条件。而对于在相同条件下筛选催化剂组成的庄信万丰团队来说，标准型 ChemSCAN 的共用气路架构恰好提供了合适的复杂程度。

催化研发的全局视角

催化领域向平行实验的转变不仅仅关乎速度，更关乎所能进行的比较的质量。当八种催化剂在同一个加热模块中、使用同一气源、在同一时刻进行测试时，所观察到的差异才能真正归因于催化剂，而非实验漂移。正是这种可重复性使数据得以发表，更重要的是，使结论足够可信，可以作为放大决策的依据。