低温固相合成

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我国学者忻新泉领导的研究小组于 1988 年开始报导“固
态配位化学反应研究”系列，对室温或近室温下的固相配
位化学反应进行了比较系统的研究，探讨了低热固相反的
机理，提出低热固相反应为扩散 - 反应 - 成核 - 产物晶粒生 长四个过程。
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4、低温固相反应在合成化学中的应用
4.1 合成原子簇化合物 4.2 合成新的多酸化合物
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7.5 嵌入反应
具有层状或夹层状结构的固体，如石墨、 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。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。
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5低热固相合成工艺种类

⑴中和反应； ⑵氧化还原反应； ⑶配位反应； ⑷分解反应； ⑸离子交换反应； ⑹成簇反应； ⑺嵌入反应； ⑻催化反应；
• ⑼取代反应；
• ⑽加成反应；
• ⑾异构化反应； • ⑿有机重排反应； • ⒀偶联反应； • ⒁缩聚和缩合反应； • ⒂主客体包合反应。
多开创性的工作。 1988 年，忻新泉等开始报道“固态配位 化学反应研究”系列，探讨了室温或近室温条件下固 -固态 化学反应。 1990 年开始合成新的原子簇化合物，并测定了 数以百计的晶体结构。
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1.5 固相反应的发展趋势
具有“减污、 节能、高效”“
低温固相合成
随意将高氯酸 盐或含硝基化合物 与其他物质研磨 可能会出带来意外
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7.2 无化学平衡
根据热力学知识， 若反应 发生微小变化 ，则
引起反应体系吉布斯函数改变为
若反应时在等温等下下进行的， 则
，从
而的该反应的摩尔吉布斯函数改为
它是反应进行的推动力源泉
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7.3 拓扑化学控制原理
我们知道，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扑化学控制原 理。
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7.4 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）：
M L
L L L L …… ML ML2 ML3 ML4
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。
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8 影响因素——固体结构对其反应 性的影响
8.1晶体结构
固体反应发生与否或反应的速率与反应
物晶体的结构密切相关。固体反应活性与结构间的关系：
零维结构>一维结构>二维结构>三维结构
即分子固体具有最大的化学反应活性。
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8.2 固体的Tammann温度对其反应性的影响
Tammann温度是指固体组分自由扩散变得显著时的温度。
应的Schiff碱，酸可以催化该固相缩合反应。反
应式如下：
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在室温下研磨苯乙酮、对甲基苯甲醛和 NaOH 糊状物
5min，变成浅黄色固体，纯化后得4-甲基查尔酮。
芳香醛与乙酰基二茂铁 (FcCOMe) 也易发生上述的固 态缩合，得到相应的查尔酮：
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5.5 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 α ， β- 不饱和化合物发生固态 Michael 加成反应。
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5.1. 氧化还原反应
Baeyer-Villiger氧化反应：如在固体状态下，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：
R 1COR 2 m ClC6 H 4CO3H R 1CO 2 R 2
氢化还原反应：如将固态酮与 10倍摩尔量的NaBH4研磨， 发生固相还原反应，高产率地得到相应的醇。此外，该反 应还具有液相反应所不存在的立体专一性。
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2、固相合成方法的概念
2.1 固相反应：指那些有固态物质参加的反应。也就是
说，反应物必须是固态物质的反应，才能称为固态反应。 固相反应不适用溶剂，具有高选择性、高产率、工艺过 程简单等优点，是人们制备新型固体材料的主要手段之 一。
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2.2 固相反应分类
固相反应
高热固相反应
中热固相反应
低热固相反应
究结果，利用下列两个室温固相化学反应，成功的分别一
步制备了顺、反甘氨酸铜的两个异构体：
R.T Cu OH2 Hgly Cis-Cu gly2 H2O+H2O
R.T Cu Ac2 2Hgly tans-Cu gly2 H2O+2HAc
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6.合成反应中间体 利用低热固相反应分步进行和无化学平衡的特点，可以通 过控制固相反应发生的条件而进行目标合成或实现分子组装， 这是化学家梦寐以求的目标，也源自文库低热固相化学的魅力所在。
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。
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5.6 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 (Ⅰ) 在 HCl 气 氛 中 保 持 5.5h 或 用 Cl3CCOOH 处理 5min ，可高产率地得到分子内脱水 产物：
PhArC（OH）CH 2 R PhArC CHR
一般认为，固相反应能够进行的温度是由反应物的Tammann
温度较低者决定的。
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7.3 反应温度对低温固相合成的影响
温度对固相反应的影响是不言而喻的。无论对于化学反应
控制的固相反应还是扩散控制的固相反应，其反应速率基
本上都随着温度的升高而增加，遵循如下关系：
E RT
k Ae
这里，常数A与E根据控制过程的不同有不同的意义。反应过 程自由化学反应速率控制的，A为碰撞系数，E为化学反应活 化能；反应过程由扩散速率控制时，A为扩散系数，E为扩散
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Cannizzaro反应），高产率地得到歧化产物。例
如：
p Cl Ph CHO KOH， 25℃， 1d p Cl Ph CH 2OH p Cl Ph COOH
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5.2 重排反应
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 2~3h ，可发生 TsOH 催化的 Meyer-Schuster 重排反应，得 到重排产物醛，反应式为：
固 相 合 成 法 使 用
范 围
4.3 合成新的配合物 4.4 合成固配化合物 4.5 合成配合物的几何异构体 4.6 合成反应中间体 4.7 合成非线性光学材料 4.8 纳米材料 4.9 合成有机化合物
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5. 合成配合物的几何异构体 近年来的研究发现，低热固相化学反应若能进行，多 数比溶液中表现出更高的反应效率和选择性。根据这一研
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3、固相合成方法的原理
国际上： 90 年代中期， Kaupp 等通过原子力显微镜观察有机 固相反应，提出了三步反应机理： 相重建（phase rebuilding） 相转变（phase transformation） 晶体分解或分离（crystal disintration or detachement）
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9. 合成有机化合物 众所周知，加热氰酸铵可制得尿素（Whler反应），这是
一个典型的固相反应，可恰恰又是有机化学诞生的标志性反应。 然而，在有机化学的发展史上扮演过如此重要角色的固相反应 本身却被有机化学家们遗忘殆尽，即使在找不到任何理由的情 况下，亦总是习惯地将有机反应在溶液相中发生，这几乎已成 了思维定势。
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6 低热固相合成生产设备
低热固相反应的温度很低，一般在小于 100℃ 。低热固
相反应由于没有溶剂参加反应，因此其制备工艺简单，参数 容易控制，在通常情况下仅需要反应物在玛瑙中研磨即可。
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7低温固相反应过程特点

(1) 潜伏期


(2) 无化学平衡
(3) 拓扑化学控制原理 (4) 分步反应 (5) 嵌入反应
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7.1 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。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。
7.合成非线性光学材料 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。
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8.纳米材料 低热或室温固相反应法还可制备纳米材料，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。
干林曼绿”（CaO和ZnO的粉末固体反应）为题的论文，有
关固相化学的历史才正式拉开序幕。 1.2 1963 年， Tscherniajew 等首先用 K2[PtI6] 与 KCN 固 固反应，制取了稳定产物K2[Pt(CN)6]。
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1.3 1993年Mallouk教授在《science》上发表评述：“传统 固相化学反应合成所得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，它们在高温时分解或重组成热力学稳定的产物。为了 得到介稳固态相反应产物，扩大材料都选择范围，有必要 降低固相反应温度。 1.4 我国的一些科学工作者在低温固相合成方面也作了许
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5.3 偶联反应
酚的氧化偶联：将酚溶解后加入至少等物质的量的 Fe(Ⅲ) 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增加，辅以
超声辐射，效果更好。甚至催化剂量的Fe(Ⅲ)盐便可使反应
完成。反应式如下：
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5.4 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
目
1 低温固相合成发展 2 固相合成方法的概念
录
3 低温固相合成反应原理 4 固相合成方法的适用范围 5 低热固相合成工艺种类
6 低热固相合成生产设备
7 低温固相反应过程特点 8 低温固相化学的影响因素
9 低温固相合成应用实例
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1 低温固相合成发展
1.1 直到1912年，Hedvall在Berichte 杂志发表 了“关
活化能。
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8.4 外力作用对固相反应的影响
固体之间要发生反应必须使分子间有更多的机会发生接 触。因此，研磨、高压或超声波等是增加分子接触，利于分 子扩散的有效手段。此外，固体物质受到强机械力作用，就 会在内部产生大量缺陷，将一部分机械能转变为化学能储存 起来，处于一种高能活性状态。其发生化学反应的速度也就 得到较大幅度的提高。
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8.5 颗粒尺寸影响 在固相条件下，化学反应的速率通常与 反应剂的表面积成正比。反应物的颗粒 尺寸不同，它们的比表面积及固体缺陷 结构也会发生变化。
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2.2.1 高热固相反应：反应温度高于 600 ℃。传统固相反应通常是 指高温固相反应。 2.2.2 中热固相反应：由于一些只能在较低温度下稳定存在而在高温 下分解的介稳化合物，在中热固相反应中可使产物保留反应物的结 构特征，由此而发展起来的前体合成法、熔化合成法、水热合成法 的研究特别活跃。
2.2.3 低热固相反应：反应温度降至室温或接近室温。因而，低热 固相反应又叫室温固相反应，指的是在室温或近室温（≤100℃）的 条件下，固相化合物之间所进行的化学反应。
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酚的氧化及醌的还原反应：如将等物质的量的氢醌及硝
酸铈(Ⅳ)铵混合后，共同研磨5-10min，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。
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Cannizzaro反应：在固体状态下，一些无α-氢原子的芳