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。时代的步伐已经迈进21世纪,身处新世纪的人们在充分享受现代文明带来的幸福的同时,也饱受了环境污染导致的疾病折磨,以及因破坏自然生态平衡而遭到大自然的惩罚。化学家们正致力于合成手段的战略革新,力求使合成工艺合乎节能、高效的绿色生产要求,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,从而推动了固相化学的发展。
固相化学一直与固体材料科学有着不解之缘,它已为人类提供了大量推动技术革命的新型功能材料。20世纪50年代,高纯单晶半导体的固相成功制备,引发了电子工业的重大革命。如今,新型高温陶瓷超导材料以及新型光、电、磁材料的固相成功合成,有望引发一场有关通信、运输、计算机、化学制造业等相关领域的技术革命。
固相化学反应是指有固体物质直接参与的反应,它既包括经典的固-固反应,也包括固-气反应、固-液反应及固体物质表面上的反应,如固相催化反应和电极反应。
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100℃~600℃之间的中温固相反应;以及反应温度高于600℃的高温固相反应。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,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,定会在合成化学中再创辉煌。中温固相反应虽然起步较晚,但由于可以提供重要的机理信息,并可获得动力学控制的,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,甚至在中温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,对指导人们按照所需设计并实现反应意义重大。相对于前两者而言,低热固相反应的研究一直未受到重视,几乎处在刚起步的阶段。
人们很早就希望固相反应能广泛应用于工业化生产。然而,由于一直缺乏必要的理论指导,这一过早的期盼至今仍未能完全如愿以偿。如今,我们虽然逐渐懂得了固体的反应性,掌握了控制固相反应的基本方法,但整体上仍没有较好的系统理论,尚未形成科学。尽管如此,人们对固相反应的期盼仍一如既往,因为它是绿色生产的一条理想通道。下面介绍几个典型实例。
传统的制造印刷线路板的工艺过程造成严重的环境污染。有人提出一种制造印刷线路板的全新工艺,其核心步骤是次磷酸铜的固相热分解反应,此步产生的活泼铜沉积在绝缘板上,然后便可电镀铜,废除了传统工艺中一半多的湿法步骤,大大减少了对环境的污染,而且也更经济。
无定形V2O5在工业上广泛用作SO2氧化为SO3的催化剂。传统的制备是通过NH4VO3的热分解,而NH4VO3结构中VO3四面体形成长链,因而其热分解所得产物V2O5结构中保留了该长链,且呈晶态结构,因此还需采用其他方法将V2O5从晶态变成无定形。无定形V2O5中的VO3四面体是互相隔开的,没有形成长链结构,人们选择符合该结构特征的配合物前体进行热分解,一步即得粒子平均大小为100纳米的高活性准无定形V2O5。
通常,镉黄颜料的工业生产是将均匀混合的镉和硫装人封管中,于500℃~600℃温度下反应而得。用该法制备镉黄颜料会产生大量污染环境的挥发性的硫化物。另一种制备方法是在中性的镉盐溶液中加入碱金属硫化物沉淀出硫化镉,然后经洗涤、80%干燥及400%晶化获得稳定产品。在这些过程中要消耗大量的水,且产生大量污染环境的废水。此外,还需专门的过滤及干燥装置,长时间的400%晶化更使该法不受人们欢迎。若将镉盐(如碳酸镉)和硫化钠的固态混合物在球磨机中球磨2~4小时,所得产品性能可与传统方法的产品相媲美。类似地,镉红颜料也可采用该法合成。
苯甲酸钠的传统制法是用NaOH中和苯甲酸的水溶液,一个标准的生产工序由六步构成,生产周期为60小时,每生产500千克的苯甲酸钠需3000升的水。然而改用低热固相法,将苯甲酸和NaOH固体均匀混合反应,生产同样500千克的产品只需5~8小时,根本不需要消耗大量的水,消除了大量污水造成的环境污染,同时大大缩短了生产周期。
21世纪是一个大力弘扬绿色革命的新世纪,一些发达国家已颁布了污染防治法案,如美国已制定了国家环境技术战略目标,至2020年地球日时,将减少40%~50%废弃物;日本制定了新阳光计划,在环境技术的研究与开发领域,确立了环境无害制造技术、减少环境污染技术和二氧化碳固定与利用技术等绿色化学的内容;我国在绿色化学方面的活动也逐渐活跃。固布相反应合成法不使用溶剂,具有高选择性、高产率、工艺过程简单等优点,从节能、高效、减少污染或无污染角度看,它必定会在绿色化学中发挥重要作用。