2.4　低热固相反应法

2.4.1　概述

固相反应能否进行，取决于固体反应物的结构和热力学函数。所有固相的化学反应和溶液中的化学反应一样，必须遵守热力学的规则，即整个反应的吉布斯函数改变小于零。在满足热力学条件下，固体反应物的结构成为固相反应进行的速率的决定性因素。

事实上，由于固相反应的特殊性，人们为了使之在尽量低的温度下发生，已经做了大量的工作。例如，在反应前尽量研磨混匀反应物以改善反应物的接触状况及增加有利于反应的缺陷浓度；用微波或各种波长的光等预处理反应物以活化反应物等，从而发展了各种降低固相反应温度的方法。

我们根据固相反应发生的温度将固相反应分为三类，即反应温度低于100℃的低热固相反应、反应温度介于100～600℃之间的中热固相反应以及反应温度高于600℃的高热固相反应。虽然这仅是一种人为的划分，但每一类固相反应的特征各有差别，不可替代，充分发挥各自的优势。

高温固相反应已经在材料合成领域中建立了主导地位。虽然还没能实现完全按照人们的愿望进行目标合成，在预测反应产物的结构方面还处于经验胜过科学的状况，但人们一直致力于它的研究，积累了丰富的实践经验。相信随着研究的不断深入，一定会在合成化学中再创辉煌。中热固相反应虽然起步较晚，但由于可以提供重要的机理信息，并且可通过动力学控制，生成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，甚至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驱体合成法、水热合成法的研究特别活跃，对指导人们按照所需设计来实现反应意义重大。

2.4.2　低热固相反应机理

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，只有当产物分子聚积到一定大小，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，固相反应经历了扩散—反应—成核—生长的过程。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应的决速步的特征。

2.4.3　低热固相反应的规律

固相反应与液相反应一样，种类繁多，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体系有如下十五大类：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；缩合与聚合反应；主客体包合反应。从上述各类反应的研究中，可以发现低热固相化学与液相化学有许多不同，遵循其独有的规律。

（1）潜伏期　多组分固相反应开始于两相的接触部分，反应产物层一旦生成，为了反应继续进行，反应物通过扩散方式与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，反应物只有集中到一定大小时才能成核，而成核需要一定温度，低于一定温度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。这种过程受温度的影响显著，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。

（2）无化学平衡　根据热力学知识，若以上反应发生微小变化dξ：

则引起反应体系吉布斯函数改变为：

若反应是在等温等压下进行的，。从而得到反应的摩尔吉布斯函数改变为：

它是反应进行的推动力的源泉。

（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。它赋予了固相反应以其他方法的反应无法比拟的优越性，提供了合成新化合物的独特途径。

（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↔MLML2ML3ML4…

各种产物的浓度与配体浓度、溶液pH值等有关。由于固相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。

（5）嵌入反应　具有层状或夹层状结构的固体，如石墨、MoS2、TiS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他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，因而液相化学反应中不存在嵌入反应。

2.4.4　固相反应与液相反应的差别

固相反应与液相反应相比，尽管绝大多数得到相同的产物，但也有很多例外。即使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。

（1）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CoCl2·6H2O在水溶液中不发生反应，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）4MoS4，而得不到固相中合成的（n-Bu4N）4[Mo8Cu12S32]，原因是Cu2S在CH2Cl2中不溶解。

（2）产物溶解度的影响　NiCl2与（CH3）4NCl3在溶液中反应，生成难溶的长链取代产物[（CH3）4N]NiCl3，而以固相反应，则可以控制摩尔比生成一取代的[（CH3）4N]NiCl3和二取代的[（CH3）4N]2NiCl3分子化合物。

（3）热力学状态函数的差别　K3[Fe（CN）6]与KI在溶液中不发生反应，但固相中反应可以生成KI[Fe（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，加上固态I2的易升华挥发性，从而导致反应方向上的截然不同。

（4）控制反应的因素不同　液相反应受热力学控制，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分子构型，实现对映选择性的固态不对称合成。

（5）液相反应体系受到化学平衡的制约　固相反应中在不生成固熔体的情形下，反应完全进行，因此固相反应的产率往往都很高。

2.4.5　低热固相反应的应用

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。

（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。原子簇化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能等重要应用前景而格外引人注目。传统的Mo（W，V）-Cu（Ag）-S（Se）簇合物的合成都是在液相中进行的。低热固相反应合成方法利用较高温度有利于原子簇化合物的生成，而低沸点溶剂（如CH2Cl2）有利于晶体生长的特点，开辟了合成原子簇化合物的新途径。已有200多个簇合物直接或间接用此方法合成出来，其中70多个确定了晶体结构，发现了一些由液相合成方法较易得到的新型结构簇合物，如二十核笼状结构的（n-Bu4N）4[Mo8Cul2S32]、鸟巢状结构的[MoOS3Cu3（py）5X]（X=Br，I）、双鸟巢状结构的（Et4N）2[Mo2Cu6S6O2Br2I4]，同时含有Ph3P和吡啶配体的蝶形结构的MoOS3Cu2（PPh3）2（py）2以及半开口的立方烷结构的（Et4N）3[MoOS3Cu3Br3（μ-Br）2·2H2O]等。

该法典型的合成路线如下：将四硫代铂酸铵（或四硫代钨酸铵等）与其他化学试剂（如CuCl、AgCl、n-Bu4NBr或PPh3等）以一定的摩尔比混合研细。移入反应管中油浴加热（一般控制温度低于100℃），在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，即得到簇合物的晶体，这是直接的低热固相反应合成原子簇化合物。还有一种间接的低热固相反应合成法，即将上述固相反应生成的一种簇合物，再与另一配体进行取代反应，获得一种新的簇合物。

到目前为止，已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；通过固相合成的有70余个，从中发现了3种新的骨架结构。

（2）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配合物和多核配合物。

（3）合成固配化合物　有些低热固相配位化学反应中生成的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他产物，无法得到它们的晶体，因此表征这些物质的存在主要依据学术手段推测，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，CuCl2·2H2O与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，CuCl2·2H2O与8-羟基喹啉（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。

某些有机配体（例如醛），它们的配位能力很弱，并且容易在金属离子的催化下发生转化。已知醛的配合物主要是一些重过渡金属与螯合配体（如水杨醛及其衍生物）的配合物，而过渡金属卤化物与简单醛的配合物数目很少，且制备均是在严格的无水条件下利用液相反应进行的。用低热固相反应的方法可以方便地合成CoCl2、NiCl2、CuCl2、MnCl2等过渡金属卤化物与芳香醛的配合物，如对二甲氨基苯甲醛（p-DMABA）和CoCl2·6H2O通过固相反应可以得到暗红色配合物Co（p-DMABA）2Cl2·2H2O。测试表明，配体是以醛的羰基与金属配位的，这个化合物对溶剂不稳定，用水或有机溶剂都会使其分解为原来的原料。

具有层状结构的固体参加固相反应时，可以得到溶液中无法生成的嵌入化合物。如Mn（OAc）2·4H2O的晶体为层状结构，层间距为9.7Å。当Mn（OAc）2·4H2O与H2C2O4以2∶1摩尔比发生固相反应时，H2C2O4先进入Mn（OAc）2·4H2O的层间，取代部分H2O分子而形成层状嵌入化合物，在温度不高时，它具有一定的稳定性。XRD谱显示它有层状结构特征，新层间距为11.4Å，红外谱表明该化合物中既存在OAc—又存在H2C2O4。但当用乙醇、乙醚等溶剂洗涤后，XRD谱和红外谱都发生明显变化，层间距又缩小到9.7Å，表明嵌入Mn（OAc）2·4H2O层间的H2C2O4已被洗脱出去。由于Mn（OAc）2·4H2O的层状结构只存在于固态中，因此，同样摩尔比的液相反应无法得到嵌入化合物。

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，也是低热固相化学的魅力所在。例如，CuCl2·2H2O与8-羟基喹啉以1∶1摩尔比固相反应，可得到稳定的中间产物Cu（HQ）Cl2，以1∶2摩尔比固相反应则得到液相中以任意摩尔比反应所得的稳定产物Cu（HQ）2Cl2；AgNO3与2，2-联吡啶（bpy）以1∶1摩尔比于60℃固相反应，可得到浅棕色的中间态配合物Ag（bpy）NO3，它可以与bpy进一步固相反应，生成黄色产物Ag（bpy）2NO3。

利用低热固相配位反应中所得到的中间产物作为前驱体，使之在第二或第三配体的环境下继续发生固相反应，从而合成所需的混配化合物，成功实现分子组装。例如，将Co（bpy）Cl2和phen·H2O以1∶1或1∶2摩尔比混合研磨后，分别获得了Co（bpy）（phen）Cl2和Co（bpy）（phen）2Cl2；将Co（bpy）（phen）Cl2和bpy按1∶2摩尔比反应，得到Co（bpy）2（phen）Cl2。

总之，低热固相反应可以获得高温固相反应及液相反应无法合成的固配化合物，但这类新颖的配合物的纯化、表征及其性质、应用研究均需要更多化学家的重视和投入。

（4）合成功能材料　其中包括非线性光学材料的制备、纳米材料的制备等。