目前在化学学术界,绝大多数人进行反应条件优化时仍然使用非常朴素的对照实验,也就是先选定一部分条件,剩下一个变量,筛选一批,选出表现较好的取值固定下来,再去筛其他变量。例如在做方法学条件优化时依次筛选催化剂、溶剂、温度、当量等。这种做法如同盲人摸象,效率较低,而且忽视了各种变量之间的相互作用。例如,对于不同催化剂,最优溶剂很有可能是不同的,上述方法会错过大量潜在的有效条件。实际上,在多种变量同时影响实验结果的情况下如何进行条件筛选最有效率,统计学已经给出了解答。其中最重要的方法包括正交试验、反应曲面分析等。这个学科叫做Design of Experiments (DoE),旨在找到以最少的实验次数确定全局最优实验条件的方法,并且不同的方法可以在不同程度上考虑变量间的相互作用,极大提升了条件筛选的科学性。这些方法可以在JMP、Minitab等软件里以一键的方式实现,软件可以直接给出实验方案,填写好实验结果后自动进行数据分析。除了这些图形化软件之外,还有PyDOE等Python包,优点是免费。
历来有许多人试图将DoE方法介绍到化学界,例如DOE (Design of Experiments) in Development Chemistry: Potential Obstacles、The application of design of experiments (DoE) reaction optimisation and solvent selection in the development of new synthetic chemistry。在一篇最新的ACS Catalysis中(A Practical Start-Up Guide for Synthetic Chemists to Implement Design of Experiments (DoE)),作者以零基础的方式详细介绍了这种做法,对于没有接触过的人非常值得阅读。
近期,我会在下方更新使用JMP的DoE功能进行反应条件筛选的案例。