淺析有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料中的應(yīng)用

魏道清

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000）

金屬合金材料制備的整個(gè)流程中，無(wú)論是開(kāi)始的單體制備，還是單體之間進(jìn)行聚合反應(yīng)形成金屬聚合物等每一個(gè)步驟之中，均存在十分復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)（尤其是有機(jī)化學(xué)變化），并且在該過(guò)程中應(yīng)用到了許多先進(jìn)的技術(shù)[1]。因此，有學(xué)者說(shuō)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展是金屬合成材料技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力，需要加大探索有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料應(yīng)用進(jìn)的力度，保障合成材料能夠更好地服務(wù)于全社會(huì)[2]。

1 有機(jī)化學(xué)與金屬合成材料簡(jiǎn)介

1.1 有機(jī)化學(xué)

有機(jī)化學(xué)作為化學(xué)研究中與實(shí)際生活生產(chǎn)最為接近的一個(gè)分支，主要研究碳化合物的組成、制備使用、降解等。在有機(jī)合成方面，從仿制自然界曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的有機(jī)物如[3]：尿素、有機(jī)酸、磺胺類化合物、胰島素等的合成制備，因此，有機(jī)化學(xué)創(chuàng)造出自然界從未出現(xiàn)過(guò)的有機(jī)化合物。在有機(jī)化學(xué)中常見(jiàn)的反應(yīng)按照反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分類，可分為四大類：①離子反應(yīng)（親核反應(yīng)和親電反應(yīng)）②自由基反應(yīng)（又稱游離基反應(yīng)均裂反應(yīng)）③協(xié)同反應(yīng)（反應(yīng)過(guò)程主要是化學(xué)鍵的斷裂與重新生成）④金屬有機(jī)反應(yīng)（主要研究含有M-C鍵即金屬-化合物鍵的物質(zhì)）。有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理主要是官能團(tuán)之間的對(duì)其支鏈集團(tuán)的爭(zhēng)奪。有機(jī)高分子材料的制備是通過(guò)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)制成有機(jī)小分子材料，然后通過(guò)聚合反應(yīng)鏈接成千上萬(wàn)的小分子，進(jìn)而形成高分子合成材料[4]。

1.2 金屬合成材料

金屬有機(jī)合成材料（MOFs）是一種大概20世紀(jì)初開(kāi)始興起的、并且發(fā)展迅猛的一類新型納米級(jí)材料。由于其獨(dú)特的性質(zhì)和極其出色的理化性質(zhì)，MOFs已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。另一方面金屬有機(jī)金屬合成材料在分析和分離方面也有廣泛的應(yīng)用，因此，磁性金屬合成材料在環(huán)境保護(hù)以及分析檢測(cè)等方面有著重要的研究意義，研究前景十分良好[5]。MOFs材料是多種學(xué)科結(jié)合產(chǎn)生的一種新型納米級(jí)材料，其是在沸石和碳納米管出現(xiàn)之后的又一種新型優(yōu)越材料，它的研究結(jié)合了結(jié)構(gòu)化學(xué)以及材料化學(xué)等學(xué)科，該領(lǐng)域是目前的熱點(diǎn)研究之一，其發(fā)展前景良好[6]。MOFs材料是由含O、N等有機(jī)配體與過(guò)渡金屬離子自動(dòng)結(jié)合而形成的配位體。其實(shí)早在幾十年前，很多學(xué)者就開(kāi)始投入對(duì)金屬合成材料的研究，而且最早的金屬有機(jī)合成材料也被成功的合成出來(lái)，但是由于當(dāng)時(shí)金屬合成的材料還有很多問(wèn)題，導(dǎo)致化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致其很難儲(chǔ)存，而且在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，當(dāng)時(shí)合成的材料，它的孔隙率也非常低，比表面積也不是很大，更達(dá)不到納米級(jí)，導(dǎo)致應(yīng)用價(jià)值不大。因此，需要合成新型的金屬材料，以此克服這些問(wèn)題[7]。

2 有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料中的應(yīng)用

2.1 有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料單體中的特點(diǎn)

這是近些年新興的吸附材料，當(dāng)然它的作用不止吸附，還有儲(chǔ)備氣體，做光學(xué)材料等等，本文闡述改材料的吸附性。金屬材料有的尺寸很小，甚至達(dá)到納米級(jí)，而且本身又具有很多的孔隙，這是其具有良好吸附性的主要原因。本文認(rèn)為，其好比一個(gè)體積為1的正方體，其表面積為6，將它分為八個(gè)等大的正方體，每個(gè)的邊長(zhǎng)也就是0.5，它的體積雖然還是1，但是表面積卻變成了12，由此可以推論出把它的體積變得越小，其整體的表面積之和越大，進(jìn)而比表面積更大，并且其具有良好的孔隙率，這些因素決定了其是一種良好的吸附劑。

現(xiàn)在納米級(jí)金屬有材料已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一，越來(lái)越多種類的金屬有機(jī)骨架材料被制備出，它的吸附性也越來(lái)越好，本文實(shí)驗(yàn)所制備的也是一種納米級(jí)磁性金屬合成材料來(lái)完成。

2.2 有機(jī)化學(xué)在金屬材料改性方面的應(yīng)用

當(dāng)前，在有機(jī)金屬合金領(lǐng)域的研究關(guān)于單體方面的研究已經(jīng)漸入瓶頸，現(xiàn)在越來(lái)越把研究重心轉(zhuǎn)向?qū)τ袡C(jī)金屬合金材料的改性方面。

通過(guò)相應(yīng)的物理方法或者化學(xué)方法使得有機(jī)金屬合金材料的原有性能發(fā)生極大的變化，該方法被稱為有機(jī)金屬合金材料的改性，顯然有機(jī)金屬合金材料改性可分為物理改性和化學(xué)反應(yīng)。

常見(jiàn)的物理改性如上文提到的聚乙烯摻入聚丙烯的共聚-共混法，以此提高聚丙烯材料的抗沖擊強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)中化學(xué)改性較為常見(jiàn)，一般通過(guò)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)（如共聚反應(yīng)、交聯(lián)反應(yīng)）改變有機(jī)金屬合金材料的主鏈結(jié)構(gòu)或者是空間立體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)金屬合金材料性質(zhì)的變化。

纖維素的基本組成部分為葡萄糖，每個(gè)單體葡萄糖的組成中有三個(gè)烴基，這三個(gè)烴基極為活躍，參與很多葡萄糖反應(yīng)。

因此，在對(duì)纖維素進(jìn)行改性的時(shí)候，針對(duì)烴基進(jìn)行研究。對(duì)烴基進(jìn)行各種有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的基團(tuán)反應(yīng)是纖維素改性的重點(diǎn)研究方向。例如，通過(guò)對(duì)烴基進(jìn)行硝化得到在軍用和民用兩大領(lǐng)域軍應(yīng)用廣泛的硝化纖維，其可用于生產(chǎn)乒乓球、膠片和軍用炸藥等等。改性纖維素的應(yīng)用范圍十分廣泛，并且在環(huán)保領(lǐng)域得到越來(lái)越多的關(guān)注，同時(shí)，其逐漸延伸到更高附加值的藥品制備領(lǐng)域。相信在有機(jī)化學(xué)的助力下，改性纖維素的發(fā)展前景越來(lái)越得到重視。

2.3 有機(jī)化學(xué)在金屬合成材料合成技術(shù)方面的應(yīng)用

2.3.1 自由基

自由基在合成金屬合成材料領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，主要用于各種烯類物質(zhì)的聚合反應(yīng)[8]。由自由基聚合反應(yīng)得到的金屬合成材料大都為線性化合物。例如，金屬材料中的超濾膜制備必須使用自由基聚合方法進(jìn)行制備?；钚?可控自由基聚合是目前較為前沿的自由基聚合研究領(lǐng)域。

在自由基聚合反應(yīng)中如何控制鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)、鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移四個(gè)基元反應(yīng)的反應(yīng)過(guò)程是有機(jī)化學(xué)研究的重點(diǎn)，目前活性/可控自由基聚合技術(shù)已經(jīng)在一定程度上對(duì)鏈引發(fā)和鏈終止環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，在這個(gè)過(guò)程中必須保持對(duì)反應(yīng)液的活性進(jìn)行控制，但活性/可控自由基聚合技術(shù)僅對(duì)簡(jiǎn)單地高分子化合物進(jìn)行制備。

同時(shí)，適當(dāng)加入一些合適的引發(fā)劑，提高反應(yīng)效果，因此，對(duì)于引發(fā)劑的選擇有一定的要求。引發(fā)劑在金屬元素聚合過(guò)程中不僅要起到催化的作用，也要分解產(chǎn)生自由基以保證反應(yīng)液的活性。

2.3.2 聚合反應(yīng)

聚合反應(yīng)是由一種或者幾種單體通過(guò)共價(jià)鍵互相連接，從而呈現(xiàn)出線形、分支形或其他特殊空間結(jié)構(gòu)的高分子化合物。聚合反應(yīng)主要有單體的聚合反應(yīng)和大分子的聚合反應(yīng)，按照反應(yīng)的具體形式可分為加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)。縮聚反應(yīng)中往往含有官能團(tuán)，其主要通過(guò)官能團(tuán)之間的縮水反應(yīng)進(jìn)行聚合，在這一過(guò)程中有一些其他小分子產(chǎn)生。

3 結(jié)語(yǔ)

有機(jī)金屬合成材料的飛速發(fā)展，為我們的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供了極大的支持。在機(jī)械領(lǐng)域，隨著有機(jī)化學(xué)對(duì)金屬合成材料的積極影響，其具有更高強(qiáng)度和更高壽命的金屬合成材料已經(jīng)逐步開(kāi)始逐漸替代其他合成材料。同時(shí)，在環(huán)保領(lǐng)域，隨著部分金屬合成合成材料使用的弊端顯現(xiàn)（含有污染物質(zhì)類似于硫、在自然環(huán)境中極難降解等等）為金屬合成材料地發(fā)展和應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此，綠色環(huán)保、可降解和可重復(fù)利用的環(huán)保有機(jī)金屬合成材料的研制迫在眉睫，該問(wèn)題對(duì)有機(jī)化學(xué)的發(fā)展提出了更高的要求。相信日后有機(jī)化學(xué)在金屬材料合成中，無(wú)論是對(duì)單體材料制備、高分子材料改性、自由基與聚合反應(yīng)機(jī)理研究等均將為金屬合成材料的進(jìn)步提供更大助力。