1、4.1 低热固相合成反应,一 引言,合成化学始终是化学研究的热门领域，它提供的上千万种化 合物，对现代的人们从日常生活到尖端高科技都产生了不可抗拒 的影响。传统的化学合成往往是在溶液或气相中进行，由于受到 能耗高、时间长、环境污染严重以及工艺复杂等的限制而越来越 多地受到排斥。虽然也有一些对该合成技术的改进，甚至有些是 卓有成效的，但总体上只是一种“局部优化”战术，没有从整体 战略上给予彻底的变革。面对传统合成方法受到的严峻挑战，化 学家们正致力于合成手段的战略革新，越来越多的化学家将目光 投向被人类最早利用的化学过程之一：固相化学反应。,1.1 传统的固相化学,固相反应不使用溶剂，具有高选择
2、性、高产率、工艺过程简单等优点，已成为人们制备新型固体材料的主要手段之一。但长期以来，由于传统的材料主要涉及一些高熔点的无机固体，如硅酸盐、氧化物、金属合金等，这些材料一般都具有三维网络结构、原子间隙小和牢固的化学键等特征，通常合成反应多在高温下进行，因而在人们的观念中室温或近室温下的低热固相反应几乎很难进行。,例如： 英国化学家West在其固体化学及其应用一书中所写“在室温下经历一段合理时间，固体间一般并不能相互反应。欲使反应以显著速率发生，必须将它们加热至甚高温度，通常是10001500”。,1993年，美国化学家Arthur Bellis等人编写的“Teaching General Ch
3、emistry，A Materials Science Companion”中也指出：“很多固体合成是基于加热固体混合物试图获得具有一定计量比、颗粒度和理化性质均一的纯样品，这些反应依赖于原子或离子在固体内或颗粒间的扩散速率。固相中扩散比气、液相中扩散慢几个数量级，因此，要在合理的时间内完成反应，必须在高温下进行”。,但是，许多固相反应在低温条件下便可发生 ，而且研究低温固相反应并开发其合成应用价值的意义是不言而喻的。1993年Mallouk教授在Science上的评述中指出的：传统固相化学反应合成所得到的是热力学稳定的产物，而那些介稳中间物或动力学控制的化合物往往只能在较低温度下存在，它们在
4、高温时分解或重组成热力学稳定产物。为了得到介稳态固相反应产物，扩大材料的选择范围，有必要降低固相反应温度。,可见，降低反应温度不仅可获得更新的化合物，为人类创造出更加丰富的物质财富，而且可最直接地提供人们了解固相反应机理所需的实验佐证，为人类尽早地实现能动、合理地利用固相化学反应进行定向合成和分子组装，最大限度地发掘固相反应的内在潜力创造了条件。,1.2 固体的结构和固相化学反应,晶体结构的研究表明，固体中原子或分子的排列方式是有限的。根据固体中连续的化学键作用的分布范围，可将固体分为延伸固体和分子固体两类。所谓延伸固体是指化学键作用无间断地贯穿整个晶格的固体物质。一般地，原子晶体、金属晶体和
5、大多数离子晶体中的化学键(即共价键、金属键、离子键)连续贯穿整个晶格，属于延伸固体。,分子晶体中物质的分子靠比化学键弱得多的分子间力结合而成，化学键作用只在局部范围内(分子范围内)是连续的，绝大多数固体有机化合物、无机分子形成的固体物质以及许多固体配合物均属于分子固体。在有大阴离子存在的配合物中，由于电荷被分散且被配体分开，因此离子之间的相互作用大大削弱，从而削弱了离子键。导致其性质表现得如同分子晶体一样，故也把它归类于分子固体。,延伸固体按连续的化学键作用的空间分布可分为一维、二维和三维固体。一维和二维固体合称为低维固体。分子固体中，由于化学键只在分子内部是连续的，固体中分子间只靠弱得多的分
6、子间力联系，故可看作零维晶体。以碳元素的几种单质和化合物的结构为例：,金刚石是由共价键将各碳原子连接成具有三维空间无限延伸的网状结构的物质每个碳原子与相邻的四个碳原子相连，因而它属三维晶体； 石墨中每个碳原子则与同一平面上的另外三个碳原子以共价键相连，形成二维无限延伸的片，片与片之间以范德华力结合形成一种层状结构，故为二维晶体；,聚乙炔中，每个CH单元与同在一条直线上的另外两个CH单元以共价键结合形成一维无限延伸的链，链与链之间靠范德华力连接形成晶格，此为一维晶体；C60的结构与上述所有结构都不同，其中每60个碳原子首先连接形成一个“巴基球”，然后这些球体靠范德华力结合形成面心立方晶格，这是零
7、维晶体。,固体在结构上的此种差异对其化学性质产生了巨大的影响。由于三维固体具有致密的结构，所有的原子被强烈的化学键紧紧地束缚导致晶格组分很难移动，外界物质也很难扩散进去，所以它们的反应性最弱；低维固体中，层间或链间靠较化学键弱得多的分子间力(范德华力)相连，晶格容易变形，这使一些分子很容易地嵌入层间或链间。,因此，与三维固体相比，低维固体的反应性要强得多；分子固体比所有延伸固体中的作用都弱，分子的可移动性很强，这在其物理性质上表现为低熔点和低硬度，它们的化学反应性最强。,我们根据固相化学反应发生的温度将固相化学反应分为三类，即反应温度低于100的低热固相反应，反应温度介于100600之间的中热
8、固相反应，以及反应温度高于600的高温固相反应。虽然这仅是一种人为的分法，但每一类固相反应的特征各有所不同，不可替代，在合成化学中必将充分发挥各自的优势。,第2节 低热固相化学,一个室温固-固反应的实例：固体4-甲基苯胺与固体CoCl26H2O按21摩尔比在室温(20)下混合，一旦接触，界面即刻变蓝，稍加研磨反应完全该反应甚至在0同样瞬间变色。但在CoCl2的水溶液中加入4-甲基苯胺(摩尔比同上)，无论是加热煮沸还是研磨、搅拌都不能使白色的4-甲基苯胺表面变蓝，即使在饱和的CoCl2水溶液中也是如此。,这表明虽然使用同样的起始反应物、同样的摩尔比，由于反应微环境的不同使固、液反应有明显的差别，
9、有的甚至如上一样换一种状态进行，反应根本不发生；有的固、液反应的产物不同，所有这些正是合成化学家所孜孜以求的。,2.1 固相反应机理,与液相反应一样，固相反应的发生起始于两个反应物分子的扩散接触，接着发生化学作用，生成产物分子。此时生成的产物分子分散在母体反应物中，只能当作一种杂质或缺陷的分散存在，只有当产物分子集积到一定大小，才能出现产物的晶核，从而完成成核过程。随着晶核的长大，达到一定的大小后出现产物的独立晶相。,可见，固相反应经历四个阶段： 扩散反应成核生长 但由于各阶段进行的速率在不同的反应体系或同一反应体系不同的反应条件下不尽相同，使得各个阶段的特征并非清晰可辨，总反应特征只表现为反
10、应的决速步的特征。,2.2 低热固相化学反应的特有规律,按照参加反应的物种数可将固相反应体系分为单组分固相反应和多组分固相反应。到目前为止，已经研究的多组分固相反应有如下十五类：中和反应；氧化还原反应；配位反应；分解反应；离子交换反应；成簇反应；嵌入反应；催化反应；取代反应；加成反应；异构化反应；有机重排反应；偶联反应；缩合或聚合反应，主客体包合反应。,潜伏期多组分固相化学反应开始于两相的接触部分反应产物层一旦生成，为了使反应继续进行，反应物以扩散方式通过生成物进行物质输运，而这种扩散对大多数固体是较慢的。同时，反应物只有集积到一定大小时才能成核，而成核需要一定温度，低于某一温度Tn，反应则不
11、能发生，只有高于Tn时反应才能进行。这种固体反应物间的扩散及产物成核过程便构成了固相反应特有的潜伏期。这两种过程均受温度的显著影响，温度越高，扩散越快，产物成核越快，反应的潜伏期就越短；反之，则潜伏期就越长。当低于成核温度Tn时，固相反应就不能发生。,无化学平衡固相反应一旦发生即可进行完全，不存在化学平衡。 拓扑化学控制原理 溶液中反应物分子处于溶剂的包围中分子碰撞机会各向均等，因而反应主要由反应物的分子结构决定。但在固相反应中，各固体反应物的晶格是高度有序排列的，因而晶格分子的移动较困难，只有合适取向的晶面上的分子足够地靠近，才能提供合适的反应中心，使固相反应得以进行，这就是固相反应特有的拓
12、扑化学控制原理。,例如，Sukenik等研究对二甲氨基苯碳酸甲酯(mp 95)的热重排反应，发现在室温下即可发生甲基的迁移，生成重排反应产物(内盐)：,该反应随着温度的升高，速率加快。然而，在熔融状态 下，反应速率减慢。在溶液中反应不发生。该重徘反应是 分子间的甲基迁移过程。晶体结构表明甲基C与另一分子N 之间的距离(CN)为0.354nm，与范德华半径(0.355nm)相 近，这种结构是该固相反应得以发生的关键。,分步反应溶液中配位化合物存在逐级平衡，各种配位比的化合物平衡 共存，如金属离子M与配体L有下列平衡(略去可能有的电荷)：,各种型体的浓度与配体浓度、溶液pH等有关。由于固相化学 反
13、应一般不存在化学平衡，因此可以通过精确控制反应物的配 比等条件，实现分步反应，得到所需的目标化合物。,嵌入反应具有层状或夹层状结构的固体，加石墨、MoS2、TiS2等都 可以发生嵌入反应，生成嵌入化合物。这是因为层与层之间 具有足以让其它原子或分子嵌入的距离，容易形成嵌入化合 物。Mn(OAc)2与草酸的反应就是首先发生嵌入反应，形成 的中间态嵌入化合物进一步反应便生成最终产物。固体的层 状结构只有在固体存在时才拥有，一旦固体溶解在溶剂中， 层状结构不复存在，因而溶液化学中不存在嵌入反应。,2.3 固相反应与液相反应的差别,固相化学反应与液相反应相比，尽管绝大多数 得到相同的产物，但也有很多例
14、外。即虽然使用同 样摩尔比的反应物，但产物却不同，其原因当然是 两种情况下反应的微环境的差异造成的。具体地， 可将原因归纳为以下几点：,反应物溶解度的影响 若反应物在溶液中不溶解，则在溶液中不能发生化学 反应，如4-甲基苯胺与CoCl26H2O在水溶液中不反应， 原因就是4-甲基苯胺不溶于水中，而在乙醇或乙醚中两 者便可发生反应。Cu2S与(NH4)2MoS4，n-Bu4NBr在 CH2Cl2中反应产物是(n-Bu4N)2MoS4)，而得不到固相中 合成的(n-Bu4N)4Mo8Cu12S32，原因是CuS在CH2Cl2中 不溶解。,产物溶解度的影响 NiCl2与(CH3)4NCl在溶液中反应
15、，生成难溶的长链一取代产物(CH3)4NNiCl3，而以固相反应，则可以生成一取代的(CH3)4NNiCl3和二取代的(CH3)4N2NiCl4分子化合物。,热力学状态函数的差别 K3Fe(CN)6与KI在溶液中不反应，但固相中反应可以生成K4Fe(CN)6和I2，原因是各物质尤其是I2处于固态和溶液中的热力学函数不同，加上I2(s)的易升华挥发性，从而导致反应方向上的截然不同。,控制反应的因素不同 溶液反应受热力学控制，而低热固相反应往往受动力学和拓扑化学原理控制，因此，固相反应很容易得到动力学控制的中间态化合物；利用固相反应的拓扑化学控制原理，通过与光学活性的主体化合物形成包结物控制反应物
16、分子构型，实现对映选择性的固态不对称合成。,化学平衡的影响溶液反应体系受到化学平衡的制约，而固相反应中在不生成固熔体的情形下进行，因此固相反应的产率往往都很高。,第3节 低热固相反应在合成化学中的应用,低热固相反应由于其独有的特点，在合成化学中已经得到许多成功的应用，获得了许多新化合物，有的已经或即将步入工业化的行列，显示出它应有的生机和活力。随着人们的不断深入研究，低热固相反应作为合成化学领域中的重要分支之一，成为绿色生产的首选方法，已是人们的共识和企盼。,3.1 合成原子簇化合物,原子簇化合物是无机化学的边缘领域，它在理论和应用 方面都处于化学学科的前沿。Mo(W,V)-Cu(Ag)-S(
17、Se)簇合物 由于其结构的多样性以及具有良好的催化性能、生物活性和 非线性光学性等重要应用前景而格外引人注目。典型的合成路线如下：将四硫代钼酸胺(或四硫代钨酸 铵等)与其它化学试剂(如CuCl，AgCl，n-Bu4NBr或PPh3等) 以一定的摩尔比混合研细，移入一反应管中油浴加热(一般 控制温度低于100)，N2保护下反应数小时，然后以适当的 溶剂萃取固相产物，过滤，在滤液中加入适当的扩散剂，放 置数日，即得到簇合物的体。,到目前为止，己合成并解析晶体结构的Mo(W，V)-Cu (Ag)-S(Se)簇合物有190余个，分居23种骨架类型，其中液相 合成的有120余个，分居20种骨架结构：通过
18、固相合成的有70 余个，从中发现了3种新的骨架结构。迄今已解结构的190余 个Mo(W,V)-Cu(Ag)-S(Se)族合物中最大的二十核簇合物(n-Bu 4N)4Mo8Cu12S32(MMo,W)，就是固相合成的，其结构 中20个金属原子组成立方金属笼，8个Mo原子(或W原子)位 于立方体的8个顶点，12个Cu原子位于各边的中点。,3.2 合成新的多酸化合物,多酸化合物因具有抗病毒、抗癌和抗艾滋病等生物活性作 用以及作为多种反应的催化剂而引起了人们的广泛兴趣。这 类化合物通常由溶液反应制得。目前，利用低热固相反应方 法，已制备出多个具有特色的新的多酸化合物。例如，汤卡 罗等用固相反应方法合成
19、了结构独特的多元化合物(n-Bu4N)2 Mo2O2(OH)2Cl2(C2O4)以及(n-Bu4N)6(H3O)2Mo13O40Mo13O40并测定了它们的晶体结构，后者结构中含有两个 组成相同而对称性不同的簇阴离子Mo13O40 。,此外，xin等以(NH4)2MS4(MMo,W)为原料合成了 同时含有簇阳离子和多酸阴离子的化合物WS4Cu4(-M ePy)8W6O19以及含两种阴离子的多酸化合物(n-Bu4N)4 Ag2I4M6O19(MMo,W)；还合成了含砷的硅钨酸化合 物(n-Bu4N)3As(SiW11O39)等。,3.3 合成新的配合物,应用低热固相反应方法可以方便地合成单核和多
20、核配合 物C5H4N(C16H33)4Cu4Br8,Cu0.84Au0.16(SC(Ph)NHP h)(Ph3P)2Cl,Cu2(PPh3)4(NCS)2，Cu(SC(Ph)NHPh)(PP h3)2X(XC1,BrI)，Cu(HOC6H4CHNNHCSNH2)(PPh3)2X(XBr,I)等，并测定了它们的晶体结构；Liu等合成了镧 系金属与乙酰丙酮和卟啉大环配体的混配化合物；Yao等获 得了镧系金属与乙酰丙酮和冠醚大环配体的混配化合物；王 曼芳等合成了烷基二硫代氨基甲酸铜的配合物；从二价金属 的苯磺酸合成聚氨酯高分子聚合物更是固相反应的一个很有 意义的应用领域。,3.4 合成固配化合物,低
21、热固相配位化学反应中生成的有些配合物只能稳定 地存在于固相中，遇到溶剂后不能稳定存在而转变为其 它产物，无法得到它们的晶体，由此表征这些物质的存 在主要依据谱学手段推测，这也是这类化合物迄今未被 化学家接受的主要原因。我们将这一类化合物称为固配 化合物。,例如，CuCl22H2O与-氨基嘧啶(AP)在溶液中反 应只能得到摩尔比为1:1的产物Cu(AP)Cl2。利用固相反 应可以得到1:2的反应产物Cu(AP)2Cl2。分析测试表 明，Cu(AP)2Cl2不是Cu(AP)Cl2与AP的简单混合物，而是一种 稳定的新固相化合物，它对于溶剂的洗涤均是不稳定的。类似 地，CuCl22H2O与8-羟基喹
22、啉(HQ)在溶液中反应只能得到1:2 的产物Cu(HQ)2Cl2，而固相反应则还可以得到液相反应中无 法得到的新化合物Cu(HQ)Cl2。,3.5 合成功能材料,非线性光学材料的制备非线性光学材料的研究是目前材料科学中的热门课题。 近十多年来，人们对三阶非线性光学材料的研究主要集中在 半导体和有机聚合物上。忻新泉及其小组在低热固相反应合 成了大量簇合物的基础上，发现Mo(W,V)-Cu(Ag)-C(Se)簇合 物有比目前己知的六类非线性光学材料，即无机氧化物及含 氧酸盐、半导体、有机化合物、有机聚合物、金属有机化合 物、配位化合物，有更优越的三阶非线性光限制效应、非线 性光吸收和非线性衍射等性
23、能，是一类很有应用潜力的非线 性光学材料。,纳米材料的制备纳米材料的研究是当前固体物理、材料化学中的活跃领域 之一。低热或室温固相反应法可制备纳米材料，它不仅使合成工 艺大为简化降低成本，而且减少由中间步骤及高温固相反 应引起的诸如产物不纯、粒子团聚、回收困难等不足，为纳 米材料的制备提供了一种价廉而又简易的全新方法，亦为低 热固相反应在材料化学中找到了极有价值的应用。,例如：汪信、李丹等用低热固相反应的前体分解法制 备了纳米六角晶系铁氧体和纳米氧化铁，即将一定比例 的反应物混合发生低热固相反应，生成配合物后，在较 高温度下热分解可以得到颗粒直径为100nm的纳米粉体。 贾殿赠等用直接低热固相
24、反应法一步合成了粒径为20nm 左右的CuO纳米粉、粒径为10nm左右的ZnO纳米粉、粒 径为30 nm的CoC2O44H2O纳米粒子，以及粒径为30nm CdS、ZnS、PbS的纳米粉。,TAlPO4的制备AlPO4具有多种结构，T-AlPO4是其中的一种。过去，人们是 通过AlCl36H2O与NH4H2PO4在水溶液中于950下反应20d得到 的，产率极低，日至今尚未有它的完整的晶体衍射数据。在固相 中，AlCl36H2O和NH4H2PO4或AlCl36H2O和NaH2PO4H2O在 150下反应2h即可得到TAlPO4。显然，由于反应温度的大大 降低，使介稳产物T-AlPO4能稳定存在，
25、产率很高。,其它材料的制备 邓建成等用CoCl26H2O与六亚甲基四胺室温固相反应，直 接制备Co()-六亚甲基四胺配合物，由于该配合物具有较好 的可逆热致变色性质而成功地用作化学防伪材料； 李海鹏等用一系列羧酸与含Zn()化合物室温固相化学反应 合成羧酸锌，这些化合物有的在食品、医药保健、农药和轻工 等方面有重要作用而得到广泛应用； Zheng、Huang等人在室温下用Na4P2S66H2O与SnCl2、Ni Cl2等发生固相反应，方便地合成了具单斜三维结构且具有二 阶铁电一反铁电转变性的Sn2P2S6和具层状结构的Ni2P2S6；,其它材料的制备 周志华等人在室温下用Pb()化合物与NaO
26、H按不同比例固 相研磨反应，生成铅红和铅黄的混合物，并发现当Pb（OAc) 23H2O与NaOH按1：1固相混合时发生分步反应最终产物 为白色的3Pb(OAc)2PbOH2O。这些都与溶液中反应明显不 同。溶液中Pb()化合物与NaOH反应只得到Pb(OH)2白色沉 淀，当NaOH过量时，白色沉淀消失，得澄清的Na2PbO2溶 液。此外，用固相反应方法还成功地合成了几种荧光材料， 并用于织物的仿伪技术。,3.6 合成有机化合物,近年来的研究发现，一些有机合成反应若在低热固相下 能够进行的话，多数较溶液中表现出高的反应效率和选择 性，因此低热固相反应在有机合成中不仅有重要的理论意 义，也具有广泛
27、的应用前景。氧化还原反应Baeyer-Villiger氧化反应：在固体状态下，一些酮与间 氯过氧苯甲酸的Baeyer-Villiger氧化反应比在氯仿溶液中反 应快，产率高，反应式为：,酚的氧化及醌的还原反应：将等物质的量的氢醌及硝酸 铈(IV)铵混合后，共同研磨510min，然后室温放置2d，高 产率地得到氧化产物醌。若在超声辐射下2h即可完成反应， 且产率又有所增加。若将醌与过量的连二亚硫酸钠共同研 磨，醌被还原，得到相应的氢醌。,Cannizaro反应：在固体状态下，一些无-氢原子的芳香 醛在KOH的作用下发生分子内的氧化还原反应(歧化反应 此即Cannizaro反应)，高产率地得到歧化
28、产物。例如：,重排反应Pinacol重排反应：Pinacol重排反应一般在稀硫酸中加热进 行。而在固体状态下进行时，若使用固态或气态酸，则反应 速率更快反应选择性比溶液中更高，同时，重排反应中迁 移的基团与所用的酸有关。Meyer-Schuster重排反应：在固体状态下，将等物质的量 的炔丙基醇和对甲基苯磺酸(TsOH)粉末混合物在50下放置 23h，可发生TsOH催化的Meyer-Schuster重排反应，得到 重排产物醛。反应式为：,耦联反应酚的氧化偶联通常是将酚溶解后加入至少等物质的量的 Fe()盐进行反应，但经常由于副产物醌的形成而使产率较低。 但该反应固相进行时，反应速率和产率等均有
29、增加，辅以超 声辐射，效果更好。甚至催化剂量的Fe()盐便可使反应完成 反应式如下：,芳香醛与ZnZnCl2的固态还原偶联反应也能有效地进 行。该固相反应中除还原产物外，偶联产物-二醇的产率 比在溶液(50THF)中有明显提高，而且表现出立体选择性。 反应式为：对于芳香酮，反应的选择性更高，只生成偶联产物。显 然，这种与ZnZnCl2固态偶联反应是制备-二醇类化合物 的简便且有效的方法。,缩合反应将等物质的量的芳香醛与芳香胺固态研磨混合，在室温 或低热温度下反应可以高产率地得到相应的Schiff碱，酸可以 催化该固相缩合反应。反应式如下：,在室温下研磨苯乙酮、对甲基苯甲醛和NaOH糊状物5mi
30、n， 变成浅黄色固体，纯化后得甲基查尔酮。反应式为：,芳香醛与乙酰基二茂铁(FeCOMe)也易发生上述的固态缩 台，得到相应的查尔酮：,Michael加成反应吡唑啉酮、吲哚等含活泼CH的氮杂环化合物也可与 ,-不饱和化合物发生固态Michael加成反应。反应 选择性高，是一种制备同碳上含多个杂环基团的有效方 法。Toda等报道了对映选择性的固态Michael加成应。,醇的脱水或成醚反应醇的酸催化脱水反应在固态下进行更加有效。室温下， 将醇()在HCl气氛中保持5.5 h或用Cl3CCOOH处理5min， 可高产率地得到分子内脱水产物：,将等物质的量的TsOH和醇()固态混匀，则发生分子间 脱水
31、反应，得到醚类化合物：而同样的反应在苯中进行时，产率则较低。,在TsOH的作用下，醇()可发生分子内的固态脱水反应，生成环状化合物：,小结,低热固相反应作为一个发展中的研究方向，需要解决的问 题还很多，但其发展前景是诱人的，尤其是在跨入21世纪的 今天，具有“减污、节能、高效”特征的低热固相反应符合时 代发展的要求，必然更加受到人们的关注，并在更多的领域 中生根、发芽、开花、结果。不过，万物都是矛盾的统一体。毫不例外地，我们在热切 期盼低热固相合成法能给我们带来更加丰富的物质的同时， 千万不要忘记考虑合成反应的安全性，因为随意将高氯酸盐 或含硝基化合物尤其是硝基苯酚等与其它物质研磨时，是可 能会出现意外的。,
