合成化学特点与作用

• 低温是指低于室温的温度，室温以下的合成就是低温合成。 低温方法可以通过冰盐低共熔体系、干冰、液氨、液氮以 及半导体制冷技术获得。
• 1 液氨中的低温合成
2CrCl3+ 11NH3
[Cr(NH3)6]Cl3 + Cr(NH3)5Cl]Cl2
• 2 低温下稀有气体的合成
Xe + 2F2
XeF4
合成化学特点和作用
• 光化学光源主要是汞辐射灯。
合成化学特点和作用
• 1. 光化学无机有机合成
• 主要集中在金属有机配合物的光化iH4
SiH3 +H
SiH3 +C2H4
C2H4SiH3
C2H4SiH3 + SiH4
C2H5SiH3 + SiH4
• 2光引发高分子聚合
合成化学特点和作用
仿生合成
• 仿生合成是仿生化学的一个重要内容。有机化学 领域的仿生合成也就是生物有机合成。生物有机 合成为有机物合成和探索生物体内的有机化学反 应提供了新的实验方法和手段。其发展依赖于生 物化学和生物学的理论、方法、技术和原理。在 分子生物学迅速发展的推动下，仿生化学是从分 子水平上模拟生物化学过程的一门新的边缘科学， 即在分子水平上模拟生物的功能，将生物的功能 原理用于化学，借以改善现有的和创造崭新的化 学原理和工艺的科学。仿生合成主要包括：模仿 生源合成反应；模拟酶和辅酶的催化功能，如模 拟酶的微环境效应、对分子或过渡态的选择性识 别功能和在特定位置引入活性基团等。
高度分散在较低的反应温度和较温和的化学环境下一步步 地进行化学反应来制备材料。 • 如常温常压下合成无机陶瓷、玻璃材料的溶胶-凝胶（solgel）过程，金属有机化学气相沉积（MOCAD），酶促合 成骨骼和人齿均属软化学反应。而硬化学（hard chemistry）则是在超高温、超高压、强辐射、无重力、 仿地心、仿宇宙等条件下探索新物质的合成。
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• 2.组合化学合成法 • 是一种在短时间内，以有限的反应步骤，同步合成大量具
有相同结构母核化合物的技术。组合化学兴起于1990年代， 是在固相多肽合成技术的基础上发展而成的，在药物先导 化合物的发现和优化、免疫学研究、新材料开发等领域有 着广泛的应用。在1990年代后期，组合化学曾经风靡一时， 甚至有学者认为，有了组合化学方法，人类可以穷尽所有 可能的化合物，并从中获得所有能够成为药物的分子，耗 时耗力有目标的药物设计方法将成为历史。但是进入2000 年后，人们渐渐意识到，依靠组合化学方法也不可能穷尽 所有化合物，组合化学方法逐渐与合理药物设计相结合， 成为现代药物研究的重要方法之一。
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• 下面我们来看看一个具体的例子。将氨三 乙酸(HNTA)、氢氧化钾和Sm2O3 按 0.7:0.5:0.25的物质的量之比及适量的水混 合加入到图4.1的反应釜内，在130ºC反应 72小时候，得到具有粉红色块状晶型的配 合物{[Sm(NTA)(H2O)]·H2O}n[1]，见图4.2.
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• 非氧化物纳米（如氮化物、硫化物、硼化物、碳化物等） • 功能材料由于具有许多优异的特性，在工业领域应用极其 • 广泛，几乎渗透到各行各业，成为许多关键部件的基础材 • 料。但制备非氧化物不是一件易事。传统的方法是由金属 • 和非金属或氢化物经高温反应制得。这类方法有很大的局 • 限性。20世纪后期，国际上已开始用自蔓延高温合成、高 • 温固相置换反应、金属有机化合物热分解以及水热合成等 • 技术来制备非氧化物。但这些方法由于种种原因（如：所 • 得产物含杂质较多；有些金属氧化物合成难度大，价格贵 • ；有的应用面窄，反应物对水敏感等），均达不到人们理 • 想的要求。于是，发展较为温和的合成技术，在相对低的 • 温度下制备这些在水溶液中难以获得的非氧化物纳米材料
• 水热法一个最大的优点是不需要高温烧结就可以 得到结晶粉体，可以在纳米、微米和毫米级，是 一种环境污染小、成本低、易于商业化的有较强 竞争力的实验方法。尽管水热反应取得了很大成 功，但仍然无法掩盖这种方法的局限性。最明显 的缺点就是它不能应用于对水敏感的化合物参与 的反应；此外在高温高压下有些反应物无法在水 中溶解，这样反应物较低的溶解性就使得反应很 难发生。因此为了克服水热反应的缺点，于是就 有人使用有机溶剂来代替水，这就成为溶剂热合 成。
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1.3 特殊的化学合成
• 1.3.1 水热与溶剂热合成 • 水热合成是指在特质的密闭反应器里（高
压釜），采用水溶液作为反应介质，通过 对反应器加热，创造一个相对高温(1001000℃) 和高压(1-l00 MPa)的反应环境， 来合成特殊的物质（化合物）以及培养高 质量的晶体。
合成化学特点和作用
合成化学特点和作用
• 3.采用无毒、无害的催化剂 • 目前烃类的烷基他反应一般使用氧氟酸、
硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂。这些液 体催化剂共同缺点是，对设备的腐蚀严重、 对人身危害和产生废渣、 污染环境。为了 保护环境。多年来国外正从分子筛、杂多 酸、超强酸等新催化材料中大力开发固体 酸烷基化催化剂。
就成为科学家追求的新目标。
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溶胶－凝胶法的基本概念
简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活 性组分的化合物作前驱体，在液相下将这 些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学 反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系， 溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空 间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失 去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干 燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构 的材料。
1.2.4 低压合成
• “真空”是指在给定空间内低于一个大气压力 的气体状态，也就是该空间内气体分子密 度低于该地区大气压的气体分子密度。不 同的真空状态，就意味着该空间具有不同 的分子密度。
• 产生真空的过程称为抽真空、排气或抽气。 通常用于产生真空的工具称为真空泵，常 用的有水泵、机械泵和油扩散泵。此外也 采用多种特殊的吸气剂和冷凝捕集器等
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• 低压合成无机物
C6H5SiH3+ HX
BBr3+ 3AgN3
SiH3X+ C6H6
B(N3)3 + 3AgBr
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1.2.5 电化学合成
• 通过外加电压，将电能转变为化学能，达 到任何一种化学试剂所不具备的氧化能力 或还原能力，从而形成电镀、电解、无机 电合成和有机电合成。
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• 绿色化学又称环境友好化学，它的主要特点是：
•
1.充分利用资源和能源，采用无毒、无害的
原料；
•
2.在无毒、无害的条件下进行反应，以减少
废物向环境排放；
•
3.提高原子的利用率，力图使所有作为原料
的原子都被产品所消纳，实现“零排放”；
•
4.生产出有利于环境保护、社区安全和人体
健康的环境友好的产品。
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1.2 常用的合成化学方法与技术
• 1.2.1 高温合成 • 1 高温固相合成 • 比如，碳、硅、硼的二元金属化合物的合成。 • 2 高温还原反应 • （1）氢气还原法 • （2）金属还原法 • 比如：镁热还原法、硅热还原法、铝热还原法和钙热还原
法等。 • 3 自蔓延高温合成 • 又称为燃烧合成技术，是在真空或介质中点燃原料，当反
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溶胶－凝胶法的基本概念
• 胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体 系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相 互作用主要是短程作用力。
• 溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的 粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～ 1000nm之间。
• 凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散 的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液 体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1 ％～3％之间。
合成化学特点和作用
• 组合化学是在固相多肽合成技术基础上发展形成的，在短 短十数年的历史中，组合化学发生了迅速的发展，逐渐脱 离了多肽体系和固相合成技术，发展出了空间定位的组合 合成、液相组合合成乃至虚拟组合化学等技术。
• 3 软化学和硬化学合成 • 所谓软化学法是指通过反应原料的液相混合使各金属元素
• 1 铜的电解精炼 • 2. 电化学合成无机物:电解解炼锌，精炼铜 • 3 电化学合成有机物 • 4 电化学合成配合物
合成化学特点和作用
1.2.6 光化学合成
• 光化学是研究光与物质相互作用所引起的永久性 化学效应的化学分支学科。由于历史的和实验技 术方面的原因，光化学所涉及的光的波长范围为 100～1000纳米，即由紫外至近红外波段。比紫 外波长更短的电磁辐射，如X或γ射线所引起的光 电离和有关化学属于辐射化学的范畴。至于远红 外或波长更长的电磁波，一般认为其光子能量不 足以引起光化学过程，因此不属于光化学的研究 范畴。观察到有些化学反应可以由高功率的红外 激光所引发，但将其归属于红外激光化学的范畴。
合成化学特点和作用
• 由于吸收给定波长的光子往往是分子中某 个基团的性质，所以光化学提供了使分子 中某特定位置发生反应的最佳手段，对于 那些热化学反应缺乏选择性或反应物可能 被破坏的体系更为可贵。光化学反应的另 一特点是用光子为试剂，一旦被反应物吸 收后，不会在体系中留下其他新的杂质， 因而可以看成是“最纯”的试剂。
合成化学特点和作用
• 4、采用无毒、无害的溶剂 • 在无毒无害溶剂的研究中。最活跃的研究项目是开发超
临界流体（SCF)。特别是超临界二氧化碳作溶剂。超临 界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点 (3llC、 7477.7gkPa)以上的二氧化碳流体。它通常具有液体的密 度。因而有常规液态溶剂的溶解度;在相同条件下。它又 具有气体的粘度，因而又具有很高的传质速度。而且。 由于具有很大的可压缩性。流体的密度、溶剂溶解度和粘 度等性能均可由压力和温度的变化来调节。超临界二氧化 碳的最大优点是无毒、不可燃、价廉等。除采用超临界溶 剂外。还有研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂/水 相界面反应。采用水作溶剂虽然能避免有机溶剂，但由于 其溶解度有限，限制了 它的应用，而且还要注意废水是 否会造成污染。
合成化学特点和作用
合成化学特点和作用
• 绿色化学又称“环境无害化学”、“环境友好 化学”、“清洁化学”，绿色化学是近十年才 产生和发展起来的，是一个 “新化学婴儿”。 它涉及有机合成、催化、、分析化学等学 科,内容广泛。绿色化学的最大特点是在始 端就采用预防污染的科学手段，因而过程 和终端均为零排放或零污染。世界上很多 国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学进 展的主要方向之一。
合成化学特点和作用
溶胶－凝胶法的基本概念
简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活 性组分的化合物作前驱体，在液相下将这 些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学 反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系， 溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空 间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失 去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干 燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构 的材料。
• 有些在常温下不溶或难溶的物质，在水热 反应的高温高压条件下，反应物的溶解度 增大，反应活性提高，反应速度加快。适 当调节水热条件下的环境气氛，有利于低 价态、中间价态与特殊价态化合物的生成， 有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶 体，且合成产物结晶度高以及易于控制产 物晶体的粒度。
合成化学特点和作用
合成化学特点和作用
• 溶剂热法是在水热方法的基础上发展起来的一种 新的材料制备方法，将水热中的水换成有机溶剂 （例如：醇、有机胺、苯或四氯化碳等），采用 类似水热法的原理制备在水溶液中无法生长，易 氧化、易水解或对水敏感的材料。溶剂热法的优 点主要体现在如下几个方面：（1）在有机溶剂中 进行的反应能够有效地抑制产物的氧化过程或空 气中氧的污染。（2）由于有机溶剂的低沸点，在 同样的条件下可以达到比水热更高的气压，从而 有利于产物的结晶。（3）非水溶剂的采用使得溶 剂热法可选择原料的范围大大扩大。
应物一旦被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至 反应完全，是制备无机化合物高温材料的一种新方法。
合成化学特点和作用
• （1）元素间直接合成
• M+ 1/2N2
MN
• （2）化合物之间的直接合成
10Al + 3TiO2 + 3B2O3 3TiB2+ 5Al2O3
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1.2.2 低温合成