淺析有機化學在金屬合成材料中的應用

魏道清

（河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000）

金屬合金材料制備的整個流程中，無論是開始的單體制備，還是單體之間進行聚合反應形成金屬聚合物等每一個步驟之中，均存在十分復雜的化學反應（尤其是有機化學變化），并且在該過程中應用到了許多先進的技術[1]。因此，有學者說有機化學的發展是金屬合成材料技術進步的動力，需要加大探索有機化學在金屬合成材料應用進的力度，保障合成材料能夠更好地服務于全社會[2]。

1 有機化學與金屬合成材料簡介

1.1 有機化學

有機化學作為化學研究中與實際生活生產最為接近的一個分支，主要研究碳化合物的組成、制備使用、降解等。在有機合成方面，從仿制自然界曾經出現過的有機物如[3]：尿素、有機酸、磺胺類化合物、胰島素等的合成制備，因此，有機化學創造出自然界從未出現過的有機化合物。在有機化學中常見的反應按照反應機理進行分類，可分為四大類：①離子反應（親核反應和親電反應）②自由基反應（又稱游離基反應均裂反應）③協同反應（反應過程主要是化學鍵的斷裂與重新生成）④金屬有機反應（主要研究含有M-C鍵即金屬-化合物鍵的物質）。有機化學反應機理主要是官能團之間的對其支鏈集團的爭奪。有機高分子材料的制備是通過有機化學反應制成有機小分子材料，然后通過聚合反應鏈接成千上萬的小分子，進而形成高分子合成材料[4]。

1.2 金屬合成材料

金屬有機合成材料（MOFs）是一種大概20世紀初開始興起的、并且發展迅猛的一類新型納米級材料。由于其獨特的性質和極其出色的理化性質，MOFs已經被廣泛應用于各行各業。另一方面金屬有機金屬合成材料在分析和分離方面也有廣泛的應用，因此，磁性金屬合成材料在環境保護以及分析檢測等方面有著重要的研究意義，研究前景十分良好[5]。MOFs材料是多種學科結合產生的一種新型納米級材料，其是在沸石和碳納米管出現之后的又一種新型優越材料，它的研究結合了結構化學以及材料化學等學科，該領域是目前的熱點研究之一，其發展前景良好[6]。MOFs材料是由含O、N等有機配體與過渡金屬離子自動結合而形成的配位體。其實早在幾十年前，很多學者就開始投入對金屬合成材料的研究，而且最早的金屬有機合成材料也被成功的合成出來，但是由于當時金屬合成的材料還有很多問題，導致化學性質不穩定，從而導致其很難儲存，而且在進行試驗時，存在安全風險。除此之外，當時合成的材料，它的孔隙率也非常低，比表面積也不是很大，更達不到納米級，導致應用價值不大。因此，需要合成新型的金屬材料，以此克服這些問題[7]。

2 有機化學在金屬合成材料中的應用

2.1 有機化學在金屬合成材料單體中的特點

這是近些年新興的吸附材料，當然它的作用不止吸附，還有儲備氣體，做光學材料等等，本文闡述改材料的吸附性。金屬材料有的尺寸很小，甚至達到納米級，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。本文認為，其好比一個體積為1的正方體，其表面積為6，將它分為八個等大的正方體，每個的邊長也就是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。

現在納米級金屬有材料已經成為了當前的研究熱點之一，越來越多種類的金屬有機骨架材料被制備出，它的吸附性也越來越好，本文實驗所制備的也是一種納米級磁性金屬合成材料來完成。

2.2 有機化學在金屬材料改性方面的應用

當前，在有機金屬合金領域的研究關于單體方面的研究已經漸入瓶頸，現在越來越把研究重心轉向對有機金屬合金材料的改性方面。

通過相應的物理方法或者化學方法使得有機金屬合金材料的原有性能發生極大的變化，該方法被稱為有機金屬合金材料的改性，顯然有機金屬合金材料改性可分為物理改性和化學反應。

常見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度。在實際生產中化學改性較為常見，一般通過有機化學反應（如共聚反應、交聯反應）改變有機金屬合金材料的主鏈結構或者是空間立體結構，實現金屬合金材料性質的變化。

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

因此，在對纖維素進行改性的時候，針對烴基進行研究。對烴基進行各種有機化學反應的基團反應是纖維素改性的重點研究方向。例如，通過對烴基進行硝化得到在軍用和民用兩大領域軍應用廣泛的硝化纖維，其可用于生產乒乓球、膠片和軍用炸藥等等。改性纖維素的應用范圍十分廣泛，并且在環保領域得到越來越多的關注，同時，其逐漸延伸到更高附加值的藥品制備領域。相信在有機化學的助力下，改性纖維素的發展前景越來越得到重視。

2.3 有機化學在金屬合成材料合成技術方面的應用

2.3.1 自由基

自由基在合成金屬合成材料領域被廣泛應用，主要用于各種烯類物質的聚合反應[8]。由自由基聚合反應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行制備。活性/可控自由基聚合是目前較為前沿的自由基聚合研究領域。

在自由基聚合反應中如何控制鏈引發、鏈增長、鏈終止和鏈轉移四個基元反應的反應過程是有機化學研究的重點，目前活性/可控自由基聚合技術已經在一定程度上對鏈引發和鏈終止環節進行控制，在這個過程中必須保持對反應液的活性進行控制，但活性/可控自由基聚合技術僅對簡單地高分子化合物進行制備。

同時，適當加入一些合適的引發劑，提高反應效果，因此，對于引發劑的選擇有一定的要求。引發劑在金屬元素聚合過程中不僅要起到催化的作用，也要分解產生自由基以保證反應液的活性。

2.3.2 聚合反應

聚合反應是由一種或者幾種單體通過共價鍵互相連接，從而呈現出線形、分支形或其他特殊空間結構的高分子化合物。聚合反應主要有單體的聚合反應和大分子的聚合反應，按照反應的具體形式可分為加聚反應和縮聚反應。縮聚反應中往往含有官能團，其主要通過官能團之間的縮水反應進行聚合，在這一過程中有一些其他小分子產生。

3 結語

有機金屬合成材料的飛速發展，為我們的國民經濟和社會發展提供了極大的支持。在機械領域，隨著有機化學對金屬合成材料的積極影響，其具有更高強度和更高壽命的金屬合成材料已經逐步開始逐漸替代其他合成材料。同時，在環保領域，隨著部分金屬合成合成材料使用的弊端顯現（含有污染物質類似于硫、在自然環境中極難降解等等）為金屬合成材料地發展和應用帶來挑戰，因此，綠色環保、可降解和可重復利用的環保有機金屬合成材料的研制迫在眉睫，該問題對有機化學的發展提出了更高的要求。相信日后有機化學在金屬材料合成中，無論是對單體材料制備、高分子材料改性、自由基與聚合反應機理研究等均將為金屬合成材料的進步提供更大助力。