慢化学让地球更绿色
时间:2017-12-08

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  克里斯蒂娜·莫提洛(Cristina Mottillo)并不着急。她把研磨好的白色粉末倒入一个培养皿中,用一个小玻璃瓶小心地将其平放,并将其密封在一个与炎热,炎热的夏季相同的温度和湿度的房间中。

  现在,我们将等待,她说。

  在接下来的四天里,Mottillo没有采取进一步行动。粉末中的三种化学物质将逐渐成为ZIF-8金属 - 有机骨架的稳定多孔化合物,在碳捕获和储存方面有着广泛的应用,并且比原料的初始价值更有价值100倍。反应物席卷了所有的工作。加拿大麦吉尔大学(McGill University)化学专业的博士生莫提洛(Mottillo)说。

  懒惰的化学

  这与通常涉及溶解,加热和混合溶液中的成分以促进其快速反应的标准化学合成方法完全背离。后者简单易懂,但往往消耗大量的化学物质和能源,对环境构成巨大的挑战。据估计,工业过程和大学实验室产生的化学废物中有50%至80%含有在合成,分离和纯化过程中留下的溶剂。

  近20年来,全球绿色化学运动一直在努力设法减少这些有毒废水。然而,Mottillo是少数几个科学家之一,即使在绿色化学的标准下也开始采取一些有点激进的方法。她的博士生导师麦吉尔大学化学家托米斯拉夫弗里斯奇奇(Tomislav Friscic)将这种方法描述为懒惰的化学反应:允许混合固体反应堆坐在那里不受干扰地自行改变。这种方法叫慢化学比较合适,或者只是老化。如果需要的话,它需要很少的有害溶剂,并且使用最少量的能量。如果规划得当,这种方法也会消耗混合物中的所有反应物,从而不会产生废物,也不需要大量使用化学纯化。

  这样的过程已经有数千年的历史了:铁的生锈是一个熟悉的例子,就像几十年来对古代铜像的风化一样。然而,直到现在,科学家们开始了解这些过程,并学习如何控制它们以获得所需的产品。在过去十年中,研究团队已经使用这些技术来生产有价值的产品,包括有机金属络合物,药物,简单有机化合物和光致发光材料。像Friscic这样的倡导者希望生产更多的这些产品。

  最终的目标是真正清理化学制造业。他说。

  缓慢而稳定

  这可能需要一点时间:即使是最狂热的支持者也认为老龄化在可靠性方面面临着艰难的挑战。学生们被告知,完美的化学反应通常以合适的溶剂开始:溶液中的分子反应比正常反应更快,因为它们可以自由滚动和碰撞,从而形成化学键和分离。然而,固体中的化学反应缓慢,根据定义严格控制在任何地方。人们经常把岩石当作分子坟墓。意大利博洛尼亚大学的固体化学家达里奥·布拉加(Dario Braga)说。

  其实并不是。固态反应可以持续数月或数年,但它们确实存在于自然界中。在澳大利亚西部,海鸟粪矿与岩石中的硫化矿石发生反应,形成普通的草酸铜。在岩石上生长的地衣通常隐藏一种简单而微弱的有机酸混合物,与矿物质缓慢反应生成复杂的金属有机物质。这提供了一些针对地衣入侵的地衣的保护。

  到了19世纪,老化被用来生产铅白,这是艺术史上使用最广泛的颜料。生产商将盘卷网格放入盛有少量醋的桶中,并将桶放在小屋的粪便上。这种金属与空气中的水蒸气和粪便中的二氧化碳缓慢地反应,变成现在称为碳酸铅和氧化铅的白色材料。醋作为催化剂,而不断分解粪便,使房子保持足够的温度,以使过程以合理的速度进行。大约3个月之后,将颜料刮擦,漂洗并研磨成细粉。它被用于绘画,如莱昂纳多·达·芬奇的蒙娜丽莎(大约1506年)和Youngmere的珍珠耳环的年轻女孩(1665年)。

  然而,慢化学的最新兴起与艺术无关。其中一个因素是制药行业的兴趣,其重点是更好地控制老化过程,可以缓慢地减少药物到药丸。另一个因素是固态化学不再像过去那样神秘。固体中的反应往往比其中分子快速扩散形成均匀混合物的液体更复杂。固体通常是非常不同的非常混合的颗粒的聚集体,其中裂缝和其他结构缺陷分散在整个颗粒中。结果,化学反应可以以不同的方式以不同的速率发生。然而,目前X射线晶体学,磁共振扫描和电子显微镜等成像技术的快速发展使得化学家能够更好地了解这些反应正在进行以及最终产生的结果。

  反过来,这种理解有助于支持者精简和改善自然老化过程,驳斥老化太慢,不可预测,实际应用的观念。 Friscic坚持认为,如果提前做好计划,化学反应并不缓慢。他的团队正试图更好地理解和利用老化的反应。例如,Mottillo的金属 - 有机框架绿色合成试验就是试图加速矿物和地衣酸之间的化学反应。

  实用的魔法

  该团队的另一名学生使用各种老化工艺合成了主要族金属,过渡金属和镧系元素氧化物的各种有机金属材料。这些固体倾向于具有非常高的熔点和低溶解度。研究人员发现,每种金属氧化物都以不同的速率老化。所以他们用它作为分离金属的方法:老化产品的密度比氧化物低,因此漂浮在中等密度的液体中,其余的氧化物下沉。 Friscic说,金属氧化物是理想的,因为它们便宜,安全,可广泛使用,并且只产生水作为副产品。其他金属盐,如氯化物或硝酸盐,会产生酸,最终转化为有毒废物。同时,许多金属自然会以氧化物的形式出现,因此必须用强酸从矿石中提取。根据Friscic的说法,这个步骤可以被老化绕过,并直接从岩石中产生金属有机框架。他和他的团队正在努力扩大这个过程,以便它可以用于金属提取和分离行业。

  至于速度,Friscic认为:如果我们使用一些技巧,我们可以保持反应。当然,大部分技巧都很简单。一种是将样品放置在潮湿的气氛中:水蒸气通过固体结构的孔隙迁移,并起到润滑剂的作用,帮助固体中的原子或分子扩散,反应,甚至重新排列,形成新的结构。

  另一种技术是将温度升高到45℃,尽管远高于工业反应容器中通常使用的数百摄氏度,但使老化过程更快进行就足够了。如果我们住在印度,也许我们可以在户外做。 Mottillo说。第三个诀窍是做一些地衣不能做的事情,把反应物一起研磨,形成细小而均匀的混合物,增加颗粒的表面积。这是Mottillo如何在几天而不是几周内完成ZIF-8合成的。

  但是,所有致力于老化综合研究的人都有很长的路要走。这个机制还没有得到很好的理解,没有理想的计算模型来加速研究。与此同时,怀疑论者认为,化学工业进展顺利,根本没有溶剂。德国亚琛工业大学绿色化学家Walter Leitner说,老化研究在无机合成方面取得了最大的成功。过去,无机合成的环境影响远远小于使用大多数溶剂的有机合成。他认为,在有机合成领域,绿色化学家可以实现的最实际的目标是寻找方法,用水等环保溶剂替代有毒溶剂。

  然而,这样的反对并没有阻止Friscic。您可以在解决方案中做的所有事情都可以通过老化来完成,甚至可以做得更多。他目前正在通过监测反应过程来探索老化的机制。 (宗华)

  “中国科学”(2015-08-12第3版国际)

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