1、第六章 低溫固相合成,2,低溫固相合成發(fā)展,Contents,低溫固相合成反應(yīng)原理,低溫固相化學合成反應(yīng)工藝,低溫固相合成應(yīng)用實例,6.1,6.2,6.3,6.4,3,目前，環(huán)境污染、能源過度消耗隊地球及人類帶來的危害已經(jīng)越來越大。人們在發(fā)展經(jīng)濟的同時也在積極面對怎樣克服對環(huán)境的污染，保護我們的生態(tài)平衡。近十幾年來，由于傳統(tǒng)的化學反應(yīng)里在溶液或氣相中進行，其反應(yīng)需要能耗高，時間長，污染環(huán)境嚴重以及工藝復(fù)雜，因此越來越多的人將目光投向曾經(jīng)被人類很早就利用過的固相化學反應(yīng)。,4,低溫固相化學反應(yīng)法是20世紀80年代發(fā)展起來的一種新的合成方法，并且發(fā)展極為迅速。其制備工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，節(jié)約能源

2、，產(chǎn)率高，污染低等優(yōu)點，使其再化學合成領(lǐng)域中日益受到重視。固相反應(yīng)法已經(jīng)成為了人們制備新型無機功能材料的重要手段之一。,5,低溫固相合成發(fā)展,6,低溫固相合成發(fā)展,固相化學反應(yīng)是人類最早使用的化學反應(yīng)之一，我們的祖先早就掌握了制陶工藝，將制得的陶器用作生活日用品。但固相化學作為一門學科被確認卻是在20世紀初，原因自然是多方面的，除了科學技術(shù)不發(fā)達的限制外，更重要的原因是人們長期的思想束縛。自亞里士多德時起，直至距今80多年前，人們廣泛相信“不存在液體就不發(fā)生固體間的化學反應(yīng)”。直到1912年，Hedvall在Berichte 雜志發(fā)表 了“關(guān)干林曼綠”（CaO和ZnO的粉末固體反應(yīng)）為題,7,

3、低溫固相合成發(fā)展,的論文，有關(guān)固相化學的歷史才正式拉開序幕。事實上，許多固相反應(yīng)在低溫條件下便可發(fā)生。早在1904年，Pfeifer等發(fā)現(xiàn)加熱Cr(en)3Cl3或Cr(en)3(SCN)3分別生成cis-Cr(en)2Cl2Cl和trans-Cr(en)2(SCN)2SCN； 1963年，Tscherniajew等首先用K2PtI6與KCN固-固反應(yīng)，制取了穩(wěn)定產(chǎn)物K2Pt(CN)6。雖然這些早期的工作已發(fā)現(xiàn)了低溫下的固相化學反應(yīng)，但由于受到傳統(tǒng)固相反應(yīng)觀念的束縛， 人們對它的研究沒有像對待高,8,低溫固相合成發(fā)展,溫固相反應(yīng)那樣引起足夠的重視，更未能在合成化學領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而研究低

4、溫固相反應(yīng)并開發(fā)其合成應(yīng)用的價值的意義是不言而喻的。1993年Mallouk教授在science上發(fā)表評述：“傳統(tǒng)固相化學反應(yīng)合成所得的是熱力學穩(wěn)定的產(chǎn)物，而那些介穩(wěn)中間物或動力學控制的化合物往往只能在較低溫度下存在，它們在高溫時分解或重組成熱力學穩(wěn)定的產(chǎn)物。為了得到介穩(wěn)固態(tài)相反應(yīng)產(chǎn)物，擴大材料都選擇范圍，有必要降低固相反應(yīng)溫度。,9,低溫固相合成發(fā)展,可見，降低反應(yīng)溫度，不僅可獲得更新的化合物，為人類創(chuàng)造更加豐富的物質(zhì)財富，而且可最直接地提供人們了解固相反應(yīng)機理所需要的實驗佐證，為人類盡早地實現(xiàn)能動、合理地利用固相化學反應(yīng)進行定向合成和分子裝配，最大限度地發(fā)揮固相反應(yīng)的內(nèi)在潛力創(chuàng)造條件。我國

5、的一些科學工作者在低溫固相合成方面也作來許多開創(chuàng)性的工作。例如，1988年，忻新泉等開始報道“固態(tài)配位化學反應(yīng)研究”系列，探討了室溫或近室溫條件下固-固態(tài)化學反應(yīng)。1990年開始合成新的原子簇化合物，并測定了數(shù)以百計的晶體結(jié)構(gòu)。,10,低溫固相合成發(fā)展,11,低溫固相合成反應(yīng)原理,12,1、固相合成方法的概念,固相合成方法：指那些有固態(tài)物質(zhì)參加的反應(yīng)。也就是說，反應(yīng)物必須是固態(tài)物質(zhì)的反應(yīng)，才能稱為固態(tài)反應(yīng)。固相反應(yīng)不適用溶劑，具有高選擇性、高產(chǎn)率、工藝過程簡單等優(yōu)點，是人們制備新型固體材料的主要手段之一。包括經(jīng)典的固-固反應(yīng)，也包括固-氣反應(yīng)和固-液反應(yīng)?？梢?，所有固相化學反應(yīng)都是非均相反應(yīng)。

6、,13,固相合成方法的概念,14,固相合成方法的概念,高熱固相反應(yīng)：反應(yīng)溫度高于600 。高熱固相反應(yīng)已經(jīng)在材料合成領(lǐng)域中建立了主導(dǎo)地位，雖然還沒能實現(xiàn)完全按照人們的愿望進行目標合成，在預(yù)測反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)方面還處于經(jīng)驗勝過科學的狀況，但人們一直致力于它的研究，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，相信隨著研究的不斷深入，定會在合成化學中再創(chuàng)輝煌。 傳統(tǒng)固相反應(yīng)通常是指高溫固相反應(yīng)，但高溫固相反應(yīng)只限于制備那些熱力學穩(wěn)定的化合物，而對于低熱條件下穩(wěn)定的介穩(wěn)態(tài)化合物或動力學上穩(wěn)定的化合物不適于采用高溫合成。,15,固相合成方法的概念,中熱固相反應(yīng)：雖然起步較晚，但由于可以提供重要的機理信息，并可獲得動力學控制的、

7、只能在較低溫度下穩(wěn)定存在而在高溫下分解的介穩(wěn)化合物，甚至在中熱固相反應(yīng)中可使產(chǎn)物保留反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)特征，由此而發(fā)展起來的前體合成法、熔化合成法、水熱合成法的研究特別活躍，對指導(dǎo)人們按照所需設(shè)計并實現(xiàn)反應(yīng)意義重大。例如，人們利用前體合成法制備了TiO2的一種新的同質(zhì)異形體，即高溫下KNO3和TiO2固相反應(yīng)得層狀結(jié)構(gòu)前體K2Ti4O9，然后用酸性水溶液進行離子交換得,16,固相合成方法的概念,離子交換得H2Ti4O9H2O。緩緩地加熱除去其中的H2O而將H2Ti4O9H2O的層狀結(jié)構(gòu)保留至最終所得的TiO2固體中，這種介穩(wěn)晶體在高溫下變成常見的金紅石結(jié)構(gòu)。,17,固相合成方法的概念,低熱固相反應(yīng)：

8、相對于前兩者而言，低熱固相反應(yīng)起步較晚，相比于通常意義的固相反應(yīng)，低熱固相反應(yīng)最大的特點在于反應(yīng)溫度降至室溫或接近室溫。因而，低熱固相反應(yīng)又叫室溫固相反應(yīng)，指的是在室溫或近室溫（100）的條件下，固相化合物之間所進行的化學反應(yīng)具有便于操作和控制的優(yōu)點。此外低熱固相反應(yīng)還有不使用溶劑，高選擇性、高產(chǎn)率、污染少、節(jié)省能源，合成工藝簡單等特點。這些特點符合當今社會綠色化學發(fā)展的要求。,18,2、低溫固相合成方法原理,在較長的一段時間里，人們對低熱固相反應(yīng)機制的理解都是通過和高溫固相反應(yīng)一樣，即先獲得動力學參數(shù)，然后再進一步推測與判斷反應(yīng)機制，所有固相化學反應(yīng)和溶液中的化學反應(yīng)一樣，必須遵守熱力學的限

9、制，即反應(yīng)的Gibbs函數(shù)改變小于零。 然而，由于低維固體與三維固體結(jié)構(gòu)上的差異及一些試驗現(xiàn)象表明，低熱固相反應(yīng)必然有其獨特的擴散機制。,19,固相合成方法的原理,90年代中期，Kaupp等通過原子力顯微鏡觀察有機固相反應(yīng)，提出了三步反應(yīng)機理：相重建（phase rebuilding）、相轉(zhuǎn)變（phase transformation）、晶體分解或分離（crystal disintration or detachement）。 我國學者在低溫固相反應(yīng)機理這一領(lǐng)域也做了大量研究工作。忻新泉領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于1988年開始報導(dǎo)“固態(tài)配位化學反應(yīng)研究”系列，對室溫或近室溫下的固相配位化學反應(yīng)進行了比較

10、系統(tǒng)的研究，探討了低熱固相反的機理，提出低熱固相反應(yīng)為擴散-反應(yīng)-成核-產(chǎn)物晶粒生長四個過程，認為固相化,20,固相合成方法的原理,化學反應(yīng)必然從兩個反應(yīng)固體互相接觸開始進行。然后舊化學鍵斷裂，產(chǎn)生新鍵，發(fā)生固-固化學反應(yīng)。當生成產(chǎn)物的個別分子分散在母體中，只能看作是一種雜質(zhì)或缺陷。只有當產(chǎn)物分子聚集到一定大小，才顯示產(chǎn)物相的出現(xiàn)，這就是成核。隨著成核的增長，達到一定大小后就有新的晶相產(chǎn)生。一般的高溫固相化學反應(yīng)的決定步驟是擴散和成核生長，原因就是再很高的反應(yīng)溫度下化學反應(yīng)這一步速度極快，無法成為整個固相反應(yīng)的決速步。再低熱固相化學反應(yīng)條件下，化學反應(yīng)也可能是速率的控制步。這一機理也通過實驗得

11、到了證實。,21,3、固相合成方法的適用范圍,固相合成法使用范圍,1、合成原子簇化合物,2、合成新的多酸化合物,3、合成新的配合物,4、 合成固配化合物,5、 合成配合物的幾何異構(gòu)體,6、合成反應(yīng)中間體,7、 合成非線性光學材料,8、納米材料,9、合成有機化合物,22,固相合成方法的適用范圍,1.合成原子簇化合物 原子簇化合物是無機化學的邊緣領(lǐng)域，它在理論和應(yīng)用方面都處于化學學科的前沿。Mo(W,V)-Cu(Ag)-S(Se)簇合物由于其結(jié)構(gòu)的多樣性以及具有良好的催化性能、生物活性和非線性光學性等重要應(yīng)用前景而格外引人注目。傳統(tǒng)的Mo(W,V)-Cu(Ag)-S(Se)簇合物的合成都是在溶液中

12、進行的。低熱固相反應(yīng)合成方法利用較高溫度有利于簇合物的生成，而低沸點溶劑（如CH2Cl2）有利于晶體生長的特點，開辟了合成原子簇化合物的新途徑。已有兩百多個簇合物直接或間接用此方法合成出來，其中70余個確定了晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了一些由液相合成法得到的新型結(jié)構(gòu)簇合物。,23,固相合成方法的適用范圍,該法典型的合成路線如下：將四硫代鉬酸銨（或四硫代鎢酸銨等）與其它化學試劑（如CuCl，AgCl，n-Bu4NBr或PPh3等）以一定的摩爾比混合研細，移入一反應(yīng)管中油浴加熱（一般控制溫度低于100），N2保護下反應(yīng)數(shù)小時，然后以適當?shù)娜軇┹腿」滔喈a(chǎn)物，過濾，在濾液中加入適當?shù)臄U散劑，放置數(shù)日，即得到簇合物

13、的晶體，這是直接的低熱固相反應(yīng)合成原子簇化合物。還有一種間接的低熱固相反應(yīng)合成法，即將上述固相反應(yīng)生成的一種簇合物，再與另一配體進行取代反應(yīng)，獲得一種新的簇合物。,24,固相合成方法的適用范圍,到目前為止，已合成并解析晶體結(jié)構(gòu)的Mo(W,V)-Cu(Ag)-S(Se)簇合物有190余個，分屬23種骨架類型，其中液相合成的有120余個，分屬20種骨架結(jié)構(gòu)；通過固相合成的有70余個，從中發(fā)現(xiàn)了3種新的骨架結(jié)構(gòu)。迄今已解結(jié)構(gòu)的190余個Mo(W,V)-Cu(Ag)-S(Se)簇合物中最大的二十核簇合物(n-Bu4N)4M8Cu12S32 (M=Mo,W)，就是固相合成的，其結(jié)構(gòu)中20個金屬原子組成立

14、方金屬籠，8個Mo原子（或W原子）位于立方體的8個頂點，12個Cu原子位于各邊的中點。,25,固相合成方法的適用范圍,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為多種反應(yīng)的催化劑而引起了人們的廣泛興趣。這類化合物通常由溶液反應(yīng)制得。目前，利用低熱固相反應(yīng)方法，已制備出多個具有特色的新的多酸化合物。例如，湯卡羅等用固相反應(yīng)方法合成了結(jié)構(gòu)獨特的多酸化合物(n-Bu4N)2Mo2O2(OH)2Cl4(C2O4)和(n-Bu4N)6(H3O)2Mo13O40Mo13O40，并測定了它們的晶體結(jié)構(gòu)，后者結(jié)構(gòu)中含有兩個組成相同而對稱性不同的簇陰離子Mo13O404

15、-，且 都具有Keggin型結(jié)構(gòu)，由中心,26,固相合成方法的適用范圍,微微扭曲的MoO4四面體和外圍12個MoO6八面體連接而成。此外，Xin等以(NH4)2MS4(M=Mo，W)為原料合成了同時含有簇陽離子和多酸陰離子的化合物WS4Cu4(-Mepy)8W6O19以及含兩種陰離子的多酸化合物(n-Bu4N)4Ag2I4 M6O19(M=Mo, W)；還合成了含砷的硅鎢酸化合物(n-Bu4N)3As(SiW11O39)等。,27,固相合成方法的適用范圍,3. 合成新的配合物 應(yīng)用低熱固相反應(yīng)方法可以方便地合成單核和多核配合物C5H4N(C16H33)4Cu4Br8，Cu0.84Au0.16(

16、SC(Ph)NHPh)(Ph3P)2Cl，Cu2(PPh3)4(NCS)2，Cu(SC(Ph)NHPh)(PPh3)2X (X=Cl,Br,I)，Cu(HOC6H4CHNNHCSNH2)(PPh3)2X(X=Br,I)等，并測定了它們的晶體結(jié)構(gòu)；Liu等合成了鑭系金屬與乙酰丙酮和卟啉大環(huán)配體的混配化合物；Yao等獲得了鑭系金屬與乙酰丙酮和冠醚大環(huán)配體的混配化合物；王曼芳等合成了烷基二硫代氨基甲酸銅的配合物；從二價金屬的苯磺酸合成聚氨酯高分子聚合物更是固相反應(yīng)的一個很有意義的應(yīng)用領(lǐng)域。,28,固相合成方法的適用范圍,4. 合成固配化合物 固相化學反應(yīng)與液相反應(yīng)相比，盡管絕大多數(shù)得到相同的產(chǎn)物，但

17、也有很多例外。即雖然使用同樣摩爾比的反應(yīng)物，但產(chǎn)物卻不同，其原因當然是兩種情況下反應(yīng)的微環(huán)境的差異造成的。 低熱固相配位化學反應(yīng)中生成的有些配合物只能穩(wěn)定地存在于固相中，遇到溶劑后不能穩(wěn)定存在而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌a(chǎn)物，無法得到它們的晶體，因此表征這些物質(zhì)的存在主要依據(jù)譜學手段推測，這也是這類化合物迄今未被化學家接受的主要原因。我們將這一類化合物稱為固配化合物。,29,固相合成方法的適用范圍,用低熱固相反應(yīng)的方法可以方便地合成CoCl2，NiCl2，CuCl2，MnCl2等過渡金屬鹵化物與芳香醛的配合物，如對二甲氨基苯甲醛(p-DMABA)和CoCl26H2O通過固相反應(yīng)可以得到暗紅色配合物Co(p-D

18、MABA) 2Cl22H2O，測試表明配體是以醛的羰基與金屬配位的，這個化合物對溶劑不穩(wěn)定，用水或有機溶劑都會使其分解為原來的原料。 具有層狀結(jié)構(gòu)的固體參加固相反應(yīng)時，可以得到,30,固相合成方法的適用范圍,溶液中無法生成的嵌入化合物。如Mn(OAc)24H2O的晶體為層狀結(jié)構(gòu)，層間距為9.7。當Mn(OAc)24H2O與H2C2O4以2:1摩爾比發(fā)生固相反應(yīng)時，H2C2O4先進入Mn(OAc)24H2O的層間，取代部分H2O分子而形成層狀嵌入化合物，在溫度不高時，它具有一定的穩(wěn)定性。XRD譜顯示它有層狀結(jié)構(gòu)特征，新層間距為11.4；紅外譜表明該化合物中既存在OAc-，又存在H2C2O4。但當

19、用乙醇、乙醚等溶劑洗滌后，利用低熱固相反應(yīng)分步進行和無化學平衡的特點，可以通過控制固相反應(yīng)發(fā)生的條件而進行目標合成或?qū)崿F(xiàn)分子組裝，這是化學家夢寐以求的目標，也是低熱固相化學的魅力所在。,31,固相合成方法的適用范圍,如CuCl22H2O與8-羥基喹啉以1:1摩爾比固相反應(yīng)，可得到穩(wěn)定的中間產(chǎn)物Cu(HQ)Cl2，以1:2摩爾比固相反應(yīng)則得到液相中以任意摩爾比反應(yīng)所得的穩(wěn)定產(chǎn)物Cu(HQ) 2Cl2；AgNO3與2，2-聯(lián)吡啶以1:1摩爾比于60固相反應(yīng)時可得到淺棕色的中間態(tài)配合物AgNO3，它可以與bpy進一步固相反應(yīng)生成黃色產(chǎn)物Ag 2NO3。 利用低熱固相配位反應(yīng)中所得到的中間產(chǎn)物作為前體

20、，使之在第二或第三配體的環(huán)境下繼續(xù)發(fā)生固相反應(yīng)，從而合成所需的混配化合物，成功實現(xiàn)分子組裝。,32,固相合成方法的適用范圍,總之，低熱固相反應(yīng)可以獲得高溫固相反應(yīng)及液相反應(yīng)無法合成的固配化合物，但這類新穎的配合物的純化、表征及其性質(zhì)、應(yīng)用研究均需要更多化學家的重視和投入。,33,固相合成方法的適用范圍,5. 合成配合物的幾何異構(gòu)體 金屬配合物中，由于中心離子和配位體都相對幾何位置不同所引起的異構(gòu)現(xiàn)象，稱為配合物的幾何異構(gòu)現(xiàn)象。它主要發(fā)生在平面正方形和八面體的配合物中。在這類配合物中，配位體在中心離子的周圍可以占據(jù)不同形式的位置，通常會有順式和反式兩種異構(gòu)體。一般來講，配合物的順、反異構(gòu)體在溶液

21、中可以相互轉(zhuǎn)化。因此，若在液相中制得純的幾何異構(gòu)體，,34,固相合成方法的適用范圍,往往需要復(fù)雜的分離，純化過程。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，低熱固相化學反應(yīng)若能進行，多數(shù)比溶液中表現(xiàn)出更高的反應(yīng)效率和選擇性。根據(jù)這一研究結(jié)果，利用下列兩個室溫固相化學反應(yīng)，成功的分別一步制備了順、反甘氨酸銅的兩個異構(gòu)體：,35,固相合成方法的適用范圍,6.合成反應(yīng)中間體 利用低熱固相反應(yīng)分步進行和無化學平衡的特點，可以通過控制固相反應(yīng)發(fā)生的條件而進行目標合成或?qū)崿F(xiàn)分子組裝，這是化學家夢寐以求的目標，也是低熱固相化學的魅力所在。如粉紅反應(yīng)物CoCl26H2O與鄰菲咯啉(Phen)以1:2摩爾比反應(yīng)得綠色穩(wěn)定反應(yīng)中間產(chǎn)物C

22、o(Phen)2Cl22H2O。,36,固相合成方法的適用范圍,利用低熱固相配位反應(yīng)中所得到的中間產(chǎn)物作為前體，使之在第二或第三配體的環(huán)境下繼續(xù)發(fā)生固相反應(yīng)，從而合成所需的混配化合物，成功實現(xiàn)分子組裝。例如，將Co(bpy) Cl2和phenH2O以1:1或1:2摩爾比混合研磨后分別獲得了Co(bpy) (Phen)Cl2和Co(bpy) (Phen)2Cl2；將Co(Phen)2Cl2和bpy按1:2摩爾比反應(yīng)得到Co(bpy)2(Phen)Cl2。,37,固相合成方法的適用范圍,7.合成非線性光學材料 非線性光學材料的研究是目前材料科學中的熱門課題。近十多年來，人們對三階非線性光學材料的研

23、究主要集中在半導(dǎo)體和有機聚合物上。最近，對C60和酞菁化合物的研究受到重視，而對金屬簇合物的非線性的研究則開展很少。忻新泉及其小組在低熱固相反應(yīng)合成了大量簇合物的基礎(chǔ)上，在這方面開展了探索研究，發(fā)現(xiàn)Mo(W,V)-Cu(Ag)-S(Se)簇合物有比目前已知的六類非線性光學材料，即無機氧化物及含氧酸,38,固相合成方法的適用范圍,鹽、半導(dǎo)體、有機化合物、有機聚合物、金屬有機化合物、配位化合物，有更優(yōu)越的三階非線性光限制效應(yīng)、非線性光吸收和非線性衍射等性能，是一類很有應(yīng)用潛力的非線性光學材料。,39,固相合成方法的適用范圍,8.納米材料 低熱或室溫固相反應(yīng)法還可制備納米材料，它不僅使合成工藝大為簡

24、化，降低成本，而且減少由中間步驟及高溫固相反應(yīng)引起的諸如產(chǎn)物不純、粒子團聚、回收困難等不足，為納米材料的制備提供了一種價廉而又簡易的全新方法，亦為低熱固相反應(yīng)在材料化學中找到了極有價值的應(yīng)用。例如，汪信、李丹等用低熱固相反應(yīng)的前體分解法制備了納米六角晶系鐵氧體和納米氧化鐵，即將一定比例的反應(yīng)物混合發(fā)生低熱固相反應(yīng)，生成配合物后，在較高,40,固相合成方法的適用范圍,溫度下熱分解可以得到顆粒直徑為100nm的納米粉體。賈殿贈等用直接低熱固相反應(yīng)法一步合成了粒徑為20nm左右的CuO納米粉、粒徑為10nm左右的ZnO納米粉、粒徑為30nm的CoC2O44H2O納米粒子，以及粒徑為30nm的CdS、

25、ZnS、PbS的納米粉。 陳懿、胡征等將FeCl3與KBH4在無水無氧條件下發(fā)生低熱固相反應(yīng)，成功地制得了硼含量高達50%（原子分數(shù)）,41,固相合成方法的適用范圍,分數(shù)）的FeB納米非晶合金微粒，這是以往的快速急冷法（含B30%）及液相化學法（含B40%）所無法制備的。同樣還制備了CoB、NiB體系的納米非晶粒子，含B量高達33%以上。因此，這種方法已成為一種制備納米非晶合金的重要方法。,42,固相合成方法的適用范圍,9. 合成有機化合物 眾所周知，加熱氰酸銨可制得尿素（Whler反應(yīng)），這是一個典型的固相反應(yīng)，可恰恰又是有機化學誕生的標志性反應(yīng)。然而，在有機化學的發(fā)展史上扮演過如此重要角色

26、的固相反應(yīng)本身卻被有機化學家們遺忘殆盡，即使在找不到任何理由的情況下，亦總是習慣地將有機反應(yīng)在溶液相中發(fā)生，這幾乎已成了思維定勢。,43,固相合成方法的適用范圍,不過，也有一些例外。1968年Merrifield創(chuàng)立并發(fā)展了固相多肽合成的方法，對化學、生化、醫(yī)藥、免疫及分子生物學領(lǐng)域都起了巨大的推動作用。該法的核心是將氨基酸的羧基鍵聯(lián)在一個完全不溶的樹脂上，然后在另一端形成并生長肽鏈，從而形成了一種由液相的可溶試劑與連接于不溶的固體物質(zhì)上的肽鏈之間的多相反應(yīng)。很明顯，固相多肽合成反應(yīng)是在固體表面上進行的。該法自創(chuàng)立至今雖僅短短的三十幾年，但已可以半自動甚至全自動地快速合成多肽、寡核苷酸和寡糖，

27、成為合成各類生物大分子（如蛋白質(zhì)、核酸、多糖）的不可或缺的手段。,44,固相合成方法的適用范圍,Merrifield因此獲得了1984年的Nobel化學獎。此外，固相光化學反應(yīng)的研究一直受到注意。固相化學反應(yīng)中的拓撲化學控制原理就是源于固相光化學反應(yīng)的廣泛研究，它揭示了晶體原料中分子的堆積方式是固相反應(yīng)的重要決定因素，只有相鄰分子的合適反應(yīng)中心靠得足夠近，且晶面取向合適方可發(fā)生固相反應(yīng)。例如，固相光聚合反應(yīng)是通過烯基加成到一起而發(fā)生的。人們發(fā)現(xiàn)，為使在固態(tài)中發(fā)生聚合作用，烯基的雙鍵應(yīng)該是大致平行的，且相距不超過4，兩個烯基加成到一起產(chǎn)生一個,45,固相合成方法的適用范圍,環(huán)丁烷連接單位。借助于

28、光的輻射而發(fā)生的光固相化學反應(yīng)既不同于溶液中反應(yīng)，也不同于熱固相反應(yīng)，正如下例所示，同樣是固相反應(yīng)，射線照射時生成三聚物，而加熱則生成二聚物?？梢妰烧邫C理是不同的。 近年來的研究發(fā)現(xiàn)，一些有機合成反應(yīng)若在低熱固相下能夠進行的話，多數(shù)較溶液中表現(xiàn)出高的反應(yīng)效率和選擇性，因此低熱固相反應(yīng)在有機合成中不僅有重要的理論意義，也具有廣泛的應(yīng)用前景。,46,固相合成方法的適用范圍,利用固相反應(yīng)的簡單易行性，人們還陸續(xù)合成了其它一些化合物。例如，AlPO4具有多種結(jié)構(gòu)，T-AlPO4是其中的一種。過去，人們是通過AlCl36H2O與NH4H2PO4在水溶液中于950下反應(yīng)20d得到的，產(chǎn)率極低，且至今尚未有

29、它的完整的晶體衍射數(shù)據(jù)。在固相中，AlCl36H2O和NH4H2PO4或AlCl36H2O與NaH2PO4H2O在150下反應(yīng)2h即可得到T-AlPO4。顯然，由于反應(yīng)溫度的大大降低，使介穩(wěn)產(chǎn)物T-AlPO4能穩(wěn)定存在，產(chǎn)率很高。,47,固相合成方法的適用范圍,鄧建成等用CoCl26H2O與六亞甲基四胺室溫固相反應(yīng)，直接制備Co()-六亞甲基四胺配合物，由于該配合物具有較好的可逆熱致變色性質(zhì)而成功地用作化學防偽材料。李海鵬等用一系列羧酸與含Zn()化合物室溫固相化學反應(yīng)合成羧酸鋅，這些化合物有的在食品、醫(yī)藥保健、農(nóng)藥和輕工等方面有重要作用而得到廣泛應(yīng)用。Zheng、Huang等人在室溫下用Na

30、4P2S66H2O與SnCl2、NiCl2等發(fā)生固相反應(yīng)，方便地合成了具單斜三維結(jié)構(gòu)且具有二階鐵電反鐵電轉(zhuǎn)變性的SnP2S6和具有層狀結(jié)構(gòu)的Ni2P2S6；,48,固相合成方法的適用范圍,周志華等人在室溫下用Pb()化合物與NaOH按不同比例固相研磨反應(yīng)，生成鉛紅和鉛黃的混合物，并發(fā)現(xiàn)當Pb(OAc)23H2O與NaOH按1:1固相混合時發(fā)生分步反應(yīng)，最終產(chǎn)物為白色的3Pb(OAc)2PbOH2O。這些都與溶液中反應(yīng)明顯不同。溶液中Pb()化合物與NaOH反應(yīng)只得到Pb(OH)2白色沉淀，當NaOH過量時，白色沉淀消失，得澄清的Na2PbO2溶液。此外，用固相反應(yīng)方法還成功地合成了幾種熒光材料

31、，并用于織物的仿偽技術(shù)。,49,低熱固相化學反應(yīng)合成工藝,50,低熱固相合成工藝種類,中和反應(yīng)； 氧化還原反應(yīng)； 配位反應(yīng)； 分解反應(yīng)； 離子交換反應(yīng)； 成簇反應(yīng)； 嵌入反應(yīng)； 催化反應(yīng)；,取代反應(yīng)； 加成反應(yīng)； 異構(gòu)化反應(yīng)； 有機重排反應(yīng)； 偶聯(lián)反應(yīng)； 縮聚和縮合反應(yīng)； 主客體包合反應(yīng)。,51,1. 氧化還原反應(yīng),Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)：如在固體狀態(tài)下，一些酮與間氯過氧苯甲酸的Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)比在氯仿溶液中反應(yīng)快，產(chǎn)率高，反應(yīng)式為：,氫化還原反應(yīng)：如將固態(tài)酮與10倍摩爾量的NaBH4研磨，發(fā)生固相還原反應(yīng)，高產(chǎn)率地得到相應(yīng)的醇。此外，該反應(yīng)還具有液相反應(yīng)

32、所不存在的立體專一性。,52,酚的氧化及醌的還原反應(yīng)：如將等物質(zhì)的量的氫醌及硝酸鈰()銨混合后，共同研磨5-10min，然后室溫放置2d，高產(chǎn)率地得到氧化產(chǎn)物醌。若在超聲輻射下2h即完成反應(yīng)，且產(chǎn)率又有所增加。若將醌與過量的連二亞硫酸鈉共同研磨，醌被還原，得到相應(yīng)的氫醌。,53,Cannizzaro反應(yīng)：在固體狀態(tài)下，一些無-氫原子的芳香醛在KOH的作用下發(fā)生分子內(nèi)的氧化還原反應(yīng)（歧化反應(yīng)，此即Cannizzaro反應(yīng)），高產(chǎn)率地得到歧化產(chǎn)物。例如：,54,2重排反應(yīng),Meyer-Schuster重排反應(yīng)：在固體狀態(tài)下，將等物質(zhì)的量的炔丙基醇和對甲基苯磺酸（TsOH)粉末混合物在50下放置23

33、h，可發(fā)生TsOH催化的Meyer-Schuster重排反應(yīng)，得到重排產(chǎn)物醛，反應(yīng)式為：,55,3. 偶聯(lián)反應(yīng),酚的氧化偶聯(lián)通常是將酚溶解后加入至少等物質(zhì)的量的Fe()鹽進行反應(yīng)，但經(jīng)常由于副產(chǎn)物醌的形成而使產(chǎn)率較低。但該反應(yīng)固相進行時，反應(yīng)速率和產(chǎn)率等均有增加，輔以超聲輻射，效果更好。甚至催化劑量的Fe()鹽便可使反應(yīng)完成。反應(yīng)式如下：,56,芳香醛與Zn-ZnCl2的固態(tài)還原偶聯(lián)反應(yīng)也能有效地進行。該固相反應(yīng)中除還原產(chǎn)物外，偶聯(lián)產(chǎn)物-二醇的產(chǎn)率比在溶液(50%THF)中有明顯提高，而且表現(xiàn)出立體選擇性。反應(yīng)式為：,對于芳香酮，反應(yīng)的選擇性更高，只生成偶聯(lián)產(chǎn)物。顯然，這種與Zn-ZnCl2固

34、態(tài)偶聯(lián)反應(yīng)是制備-二醇類化合物的簡便且有效的方法。,57,4. 縮合反應(yīng),將等物質(zhì)的量的芳香醛與芳香胺固態(tài)研磨混合，在室溫或低熱溫度下反應(yīng)可以高產(chǎn)率地得到相應(yīng)的Schiff堿，酸可以催化該固相縮合反應(yīng)。反應(yīng)式如下：,在室溫下研磨苯乙酮、對甲基苯甲醛和NaOH糊狀物5min，變成淺黃色固體，純化后得4-甲基查爾酮。,58,芳香醛與乙?；F(FcCOMe)也易發(fā)生上述的固態(tài)縮合，得到相應(yīng)的查爾酮：,59,含活潑CH的氮雜環(huán)化合物如吡唑啉酮、吲哚等，也可與羰基化合物如芳香醛、芳香酮、菲醌類化合物發(fā)生固態(tài)縮合反應(yīng)，反應(yīng)選擇性很高。該反應(yīng)活性受反應(yīng)條件、羰基化合物的結(jié)構(gòu)及取代基性質(zhì)的影響。超聲波對該

35、縮合反應(yīng)有明顯的促進作用，而且反應(yīng)選擇性增加。,60,5.Michael加成反應(yīng),吡唑啉酮、吲哚等含活潑CH的氮雜環(huán)化合物也可與，-不飽和化合物發(fā)生固態(tài)Michael加成反應(yīng)。反應(yīng)選擇性高，是一種制備同碳上含多個雜環(huán)基團的有效方法。,6. 醇的脫水或成醚反應(yīng),醇的酸催化脫水反應(yīng)在固態(tài)下進行更加有效。室溫下，將醇()在HCl氣氛中保持5.5h或用Cl3CCOOH處理5min，可高產(chǎn)率地得到分子內(nèi)脫水產(chǎn)物：,61,將等物質(zhì)的量的TsOH和醇()固態(tài)混勻，則發(fā)生分子間脫水反應(yīng)，得到醚類化合物： (),而同樣的反應(yīng)在苯中進行時，產(chǎn)率則較低。,62,低熱固相合成生產(chǎn)設(shè)備,低熱固相反應(yīng)的溫度很低，一般在小

36、于100。低熱固相反應(yīng)由于沒有溶劑參加反應(yīng)，因此其制備工藝簡單，參數(shù)容易控制，在通常情況下僅需要反應(yīng)物在瑪瑙中研磨即可。 在固相反應(yīng)中，充分的研磨是縮短反應(yīng)時間，促進反應(yīng)發(fā)生的重要手段。由于固體間的分子擴散是十分緩慢的，因此要使固體分子有更多的機會發(fā)生接觸。,63,（1）由于固體在外力作用下破碎，顆粒減小，表面自由能增加。 （2）粒子在應(yīng)力的靜力和剪切力的共同作用下發(fā)生形變所儲存的彈性張力能。 （3）摩擦生熱。這種活化通過能量的不同形式之間的轉(zhuǎn)換而耗散。例如通過固體的破碎聚集無定形化，同質(zhì)多晶轉(zhuǎn)變以及力學化學分解或合成等過程。,64,因此，力學必須包括力的作用。分子固體的化學反應(yīng)可以在無外力存

37、在的情況下進行。雖然在研磨時反應(yīng)的確可以較快速的進行，即反應(yīng)也可受力活化。因此，在實驗中為了快速地反應(yīng)，必須盡可能地研磨反應(yīng)物使之盡可能充分地混合。,65,但分子固體的化學反應(yīng)存在誘導(dǎo)期，因此是熱化學反應(yīng)，熱化學反應(yīng)在很大程度上依賴于固體的可擴散性，而影響力學化學反應(yīng)的一個重要因素是室溫下通過剪切作用克服物質(zhì)的剛性的能力。,66,1.反應(yīng)過程,(1)潛伏期 (2) 無化學平衡 (3) 拓撲化學控制原理 (4) 分步反應(yīng) (5) 嵌入反應(yīng),67,（1）潛伏期,多組分固相化學反應(yīng)開始于兩相的接觸部分，反應(yīng)產(chǎn)物層一旦生成，為了使反應(yīng)繼續(xù)進行，反應(yīng)物以擴散方式通過生成物進行物質(zhì)輸運，而這種擴散對大多數(shù)

38、固體是較慢的。同時，反應(yīng)物只有集積到一定大小時才能成核，而成核需要一定溫度，低于某一溫度Tn，反應(yīng)則不能發(fā)生，只有高于Tn時反應(yīng)才能進行。,68,這種固體反應(yīng)物間的擴散及產(chǎn)物成核過程便構(gòu)成了固相反應(yīng)特有的潛伏期。這兩種過程均受溫度的顯著影響，溫度越高，擴散越快，產(chǎn)物成核越快，反應(yīng)的潛伏期就越短；反之，則潛伏期就越長。當?shù)陀诔珊藴囟萒n時，固相反應(yīng)就不能發(fā)生。,69,(2) 無化學平衡,70,設(shè)參加反應(yīng)的種物質(zhì)中有n種是氣體，其余的是純凝聚相（純固體或純液體），且氣體的壓力不大，視為理想氣體，則將氣體物質(zhì)與凝聚相分開書寫，有,71,很顯然，當反應(yīng)中有氣態(tài)物質(zhì)參與時，確實對rGm有影響。如果這些氣

39、體組分作為產(chǎn)物的話，隨著氣體的逸出，毫無疑問，這些氣體組分的分壓較小，因而反應(yīng)一旦能開始（即rGm），則rGm0便可一直維持到所有反應(yīng)物全部消耗掉，亦即反應(yīng)進行到底；,72,若這些氣體組分都作為反應(yīng)物的話，只要它們有一定的分壓，而且在反應(yīng)開始之后仍能維持，同樣道理rGm0也可一直維持到反應(yīng)進行到底，使所有反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物；若這些氣體組分有的作為反應(yīng)物，有的作為產(chǎn)物的話，則只要維持氣體反應(yīng)物組分一定分壓，氣體產(chǎn)物組分及時逸出反應(yīng)體系，則同樣可使一旦反應(yīng)便能進行到底。,73,因此，固相反應(yīng)一旦發(fā)生即可進行完全，不存在化學平衡。當然，若反應(yīng)中的凝聚相是以固熔體或溶液形式存在，則又當別論。不過，這

40、樣的體系僅具理論意義，實際上由于產(chǎn)物以固熔體形式存在或溶解在液體中而增加了分離的負擔，這不是我們所希望的。,74,(3) 拓撲化學控制原理,我們知道，溶液中反應(yīng)物分子處于溶劑的包圍中，分子碰撞機會各向均等，因而反應(yīng)主要由反應(yīng)物的分子結(jié)構(gòu)決定。但在固相反應(yīng)中，各固體反應(yīng)物的晶格是高度有序排列的，因而晶格分子的移動較困難，只有合適取向的晶面上的分子足夠地靠近，才能提供合適的反應(yīng)中心，使固相反應(yīng)得以進行，這就是固相反應(yīng)特有的拓撲化學控制原理。它賦予了固相反應(yīng)以其它方法無法比擬的優(yōu)越性，提供了合成新化合物的獨特途徑。,75,例如，Sukenik等研究對二甲氨基苯磺酸甲酯(mp95)的熱重排反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在

41、室溫下即可發(fā)生甲基的遷移，生成重排反應(yīng)產(chǎn)物（內(nèi)鹽）：,該反應(yīng)隨著溫度的升高，速率加快。然而，在熔融狀態(tài)下，反應(yīng)速率減慢。在溶液中反應(yīng)不發(fā)生。該重排反應(yīng)是分子間的甲基遷移過程。晶體結(jié)構(gòu)表明甲基C與另一分子N之間的距離(C-N)為0.354nm，與范德華半徑和(0.355nm)相近，這種結(jié)構(gòu)是該固相反應(yīng)得以發(fā)生的關(guān)鍵。,76,研究發(fā)現(xiàn)，當使用與Cu+反應(yīng)時，在溶液中往往得到對稱性高的平面型原子簇化合物，而固相反應(yīng)時則往往優(yōu)先生成類立方烷結(jié)構(gòu)的原子簇化合物，這可能與晶格表面的總有一個S原子深埋晶格下層有關(guān)。顯然，這也是拓撲化學控制的體現(xiàn)。,77,(4) 分步反應(yīng),溶液中配位化合物存在逐級平衡，各種配

42、位比的化合物平衡共存，如金屬離子與配體有下列平衡（略去可能有的電荷）：,各種型體的濃度與配體濃度、溶液pH等有關(guān)。由于固相化學反應(yīng)一般不存在化學平衡，因此可以通過精確控制反應(yīng)物的配比等條件，實現(xiàn)分步反應(yīng)，得到所需的目標化合物。,78,(5) 嵌入反應(yīng),具有層狀或夾層狀結(jié)構(gòu)的固體，如石墨、MoS2、TiS2等都可以發(fā)生嵌入反應(yīng)，生成嵌入化合物。這是因為層與層之間具有足以讓其它原子或分子嵌入的距離，容易形成嵌入化合物。Mn(OAc)2與草酸的反應(yīng)就是首先發(fā)生嵌入反應(yīng)，形成的中間態(tài)嵌入化合物進一步反應(yīng)便生成最終產(chǎn)物。固體的層狀結(jié)構(gòu)只有在固體存在時才擁有，一旦固體溶解在溶劑中，層狀結(jié)構(gòu)不復(fù)存在，因而溶液化學中不存在嵌入反應(yīng)。,79,2.影響因素分析,固相化學反應(yīng)式化學合成所面臨的綠色化、清潔化生產(chǎn)過程之一。固相化學反應(yīng)與液相中的化學反應(yīng)一樣，必須遵循熱力學和動力學的限制和要求：熱力學條件是其反應(yīng)的自由能變（dG）小于零；動力學中最基本的條件是使反應(yīng)物的分子必須相互碰撞。,80,（1）固體結(jié)構(gòu)對其反應(yīng)性的影響,固體