金属有机化学的发展

金属有机化学的产生、发展以及未来摘要：按时间顺序分阶段介绍了金属有机化学这门交叉学科的产生、发展，从中体会到的学科的研究方法，并通过其前沿问题对其未来发展做作了展望。关键词：金属有机化学学科发展历史、未来展望金属有机化学作为化学中无机化学和有机化学两大学科的交叉从产生到发展直到今天逐渐地现代化，它始终处于化学学科和化工学科的最前线，生机勃勃，硕果累累。金属有机化学所研究的对象一般是指其结构中存在金属－碳键的化合物。在目前为止人类发现的110多种化学元素中，金属元素占绝大部分，而碳元素所衍生出的有机物不仅数量庞大，而且增长速度也很快，将这两类以前人们认为互不相干的物质组合起来形成的金属有机化合物不仅仅是两者简单的加和关系，而应是指数关系。其中的许多金属有机化合物已经为人类进步和国民生产做出了重要的贡献，更值得说的是，金属有机化学是一门年轻的科学，是一座起步的火车，发展及应用潜力不可估量。以下是按时间顺序来说明金属有机化学产生和发展及其规律。一、金属有机化学的产生与基本成形阶段（1823～1950年）1827年，丹麦药剂师蔡司在加热PtCl2/KCl的乙醇溶液时无意中得到了一种黄色的沉淀，由于当时的条件所限，他未能表征出这种黄色沉淀物质的结构。现在已经证明，这个化合物为金属有机化合物。第一个系统研究金属有机化学的应该是英国化学家福朗克。起初，他把他制得的一些化合物错误地认为是他所想要的自由基，但实际上得到的是金属有机化合物。值得思考的是，当他后来发现他得非所愿时，不但没有气馁，反而更深入地研究了这种新的化合物，总结出了金属有机化学的定义。1899年，法国化学家格利雅在他的老师巴比尔的引导下，在前人研究的基础上发现了镁有机化合物RMgX并将它用于有机合成。这是本阶段金属有机化学发展的最重要的一项。他所发现的新试剂开创的新的有机合成方法在如今仍被广泛应用。由于他的卓越贡献，1912年，他获得了诺贝尔化学奖，这也是第一个获得诺贝尔奖的金属有机化学家。1922年美国的米基里发现了四乙基铅及其优良的汽油抗震性。于是1923年便在工业上大规模生产用来作汽油抗震剂，这是第一个工业化生产的金属有机化合物，但后来铅严重影响儿童智力发育的发现使其在现在基本上已经被淘汰。二、金属有机化学的飞速发展阶段（1951－20世纪90年代初）1951年鲍森和米勒的并非预期的实验结果，偶然地发现了二茂铁，由此引发的对金属有机化学原有理论上挑战揭开了金属有机化学发展的新序幕。这个发现是具有重要意义的。凭着威尔金森和伍德沃德的智慧以及费舍尔辛勤工作，借助当时X射线衍射，核磁共掁，红外光谱等物理发展而提供的先进的检测技术手段，二茂铁的结构得以确认为三明治夹心结构。这个具有美妙而富有创意构型的分子不光使波澜不惊发展着的金属有机化学变得激流澎湃，同时也给理论化学中的分子轨道理论的发展提供了研究平台。1958年，德国WackerChemie化学公司的施密特实现了在钯催化下乙烯氧化合成乙酸的著名的工艺。施密特的特殊贡献不在于发现了什么新的化学反应，而是将以前发现的大家熟知的两个化学反应有机地巧妙“组合”在了一起，产生了“1+12”效应。同时他用钯代替汞作催化剂而消除了其对环境的污染危害。另外，该工艺地发展使价廉的乙烯取代了价格昂贵、工业能耗高的乙炔成为化学工业的基础原料。从此，金属有机化学的发展全方位发展起来。20世纪60年代末期，大量新的、不同类型的金属有机化合物被合成出来。同时物理学的发展为其提供了更为先进的检测手段，使得通过对它们结构的测定而发现了许多新的结构类型。进入20世纪70年代，科学家们逐渐归纳形成了一些金属有机化学反应的基元反应，从这些基元反应有发展成一些合成上有应用价值的反应。可以这么说，60年代金属有机化合物的合成、结构以及X－射线晶体结构的研究是70年代金属有机化合物在催化和合成中应用的前提。这些反应往往是温和的，具有选择性的。例如，Monsanto公司的鲍里克实现了甲醇羰化制乙酸，而且这还是典型的绿色化学反应过程。凯姆发现了镍配合物催化乙烯齐聚合成α－烯烃的SHOP工艺，开创了均相催化复相化的成功先例，解决了催化剂与产物分离的难题。到20世纪70年代末，结合金属有机化合物的催化和选择性这两个性质发展成了催化的不对称合成。Monsanto公司的诺尔斯合成了治疗帕金森病的特效药L-Dopa，开创了不对称催化的新纪元。这又是人们利用金属有机化合物的某些优良特性，然后放大、组合来为人类造福。自然界存在的许多化合物是有手性的，也就是说它本身与它的镜像不能完全重合，就像人的左右手一样。拿药物分子来说，他的空间构型的某一种形式才对疾病有效，其他的构型没有疗效，或者药效相反，甚至对人体有害。如何得到我们想要的那种构型呢？金属有机化合物有了用武之地。金属有机化合物就像我们人的一只手，当它与药物分子反应时，就像人握手一样，两只右手或两只左手握在一块比一左手和一右手握在一起匹配，于是通过设计的金属有机化合物催化剂得到我们所需要的药物分子。三、金属有机化学的前沿问题及未来展望1、环保20世纪90年代末，化学面临着环境问题的严重挑战，原子经济性（指原料分子中究竟有百分之几的原子转化成所需要的产物）成了绿色化学的主要内容。过渡金属催化的高选择性能使金属有机化学能够扮演这个重要角色。同时绿色化学的12条准则中的大部分可以借助金属有机化学达到。比如预防环境污染、使用安全的助剂、提高能源经济性、减少衍生物、新型催化剂的开发等。这需要化学家，环境学者与专家的密切协作。2、材料应用金属有机机化合物作为催化剂合成电子材料、光学材料和具有特种性能的无机材料将是大有作为的。同时金属有机化合物本身作为材料也是研究的热点并又广阔的应用前景。这方面需要化学家、物理学家、材料科学家、技术专家的密切合作。3、能源以人工固氮及人工太阳能为主体的模拟生物功能来实现对能源的可持续性利用是21世纪能源方面研究的热点及前沿。实现这一过程的核心问题是模拟并应用自然界中植物用于固氮和转化太阳能的化学物质酶和叶绿素。而酶的大部分和叶绿素是金属有机化合物。金属有机化学在新能源利用方面责无旁贷也将大有作为。当然化学家还需要与生物学家，工程技术专家的共同协作。4、健康生命最宝贵，而维持健康及治疗疾病的药物的研究与开发将是21世纪研究的热点。金属有机化合物不仅可以通过其催化性能来实现手性药物的合成，而且过去有机锑对血吸虫病、顺铂对癌症的优良疗效预示着金属有机化合物本身就是药物的大宝库。这需要免疫学家、放射学家、酶化学家的通力协作。总之，在新的检测手段的强力支持下，在市场需求的不断拉动下，在可持续发展的大背景下，金属有机化学将成为新世纪环保、材料、能源及人类健康等方面研究开发的热门学科，其发展应用前景一片光明。四、总结作为一门交叉学科，金属有机化学自产生之日起，在社会需求的推动，本身问题的解决的拉动下，目前已成为化学中最活泼的学科之一。在它的发展过程中不仅屡次打破人们认识上的范式，而且在实现工业化过程中大大促进了生产力的发展。在新的世纪里，金属有机化学与新的具有活力的学科再次交叉，必将在环保、材料、能源和人类健康方面做出新的贡献。参考资料1、何仁编著。配位催化与金属有机化学。北京：化学工业出版社，2002。2、陆熙炎主编。金属有机化合物的反应化学。北京：化学工业出版社，2000。4、王延吉，赵新强编著。绿色催化过程与工艺。北京：化学工业出版社，2002。5、黄耀曾。漫谈金属有机化学。中国教育星教育资源库及平台。6、王佛松，王夔等主编。展望21世纪的化学。北京：化学工业出版社，2000