無機化學研究前沿研究分析
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編者按：本論文主要從無機合成與制備化學研究進展；我國無機化學研究最新進展等進行分析和闡述，包括了極端條件合成、軟化學合、缺陷與價態(tài)控制、計算機輔助合成、組合化學、理想合成、仿生合成、中科大錢逸泰、謝毅研究小組在水熱合成工作的基礎(chǔ)上、無機合成與制備在固體化學和材料化學研究中占有重要的地位等，具體資料請見：
【論文摘要】:無機化學是化學學科里其它各分支學科的基礎(chǔ)學科，在近年來取得較突出的進展，主要表現(xiàn)在固體材料化學、配位化學等方面。未來無機化學的發(fā)展特點是各學科交叉縱橫相互滲透，用以解決工業(yè)生產(chǎn)與人民生活的實際問題。文章就當代無機化學研究的前沿與未來發(fā)展趨勢做了簡要闡述。
當前無機化學的發(fā)展趨向主要是新型的無機化合物的合成和應(yīng)用，以及新的研究領(lǐng)域的開辟和建立。因此21世紀理論與計算方法的運用將大大加強理論和實驗更加緊密的結(jié)合。同時各學科間的深入發(fā)展和學科間的相互滲透，形成許多學科的新的研究領(lǐng)域。例如，生物無機化學就是無機化學與生物學結(jié)合的邊緣學科；固體無機化學是十分活躍的新興學科；作為邊沿學科的配位化學日益與其它相關(guān)學科相互滲透與交叉。
根據(jù)國際上最新進展和我國的具體情況,文章就“無機合成與制備化學研究進展”和“我國無機化學最新研究進展”兩個方面進行闡述：
一、無機合成與制備化學研究進展
無機合成與制備在固體化學和材料化學研究中占有重要的地位,是化學和材料科學的基礎(chǔ)學科。發(fā)展現(xiàn)代無機合成與制備化學,不斷地推出新的合成反應(yīng)和路線或改進和綠化現(xiàn)有的陳舊合成方法,不斷地創(chuàng)造與開發(fā)新的物種,將為研究材料結(jié)構(gòu)、性能(或功能)與反應(yīng)間的關(guān)系、揭示新規(guī)律與原理提供基礎(chǔ)。近年來無機合成與制備化學研究的新進展主要表現(xiàn)為以下幾個方面：
（一）極端條件合成
在現(xiàn)代合成中愈來愈廣泛地應(yīng)用極端條件下的合成方法與技術(shù)來實現(xiàn)通常條件下無法進行的合成,并在這些極端條件下開拓多種多樣的一般條件下無法得到的新化合物、新物相與物態(tài)。超臨界流體反應(yīng)之一的超臨界水熱合成就是無機合成化學的一個重要分支。
（二）軟化學合成
與極端條件下的合成化學相對應(yīng)的是在溫和條件下功能無機材料的合成與晶化,即溫和條件下的合成或軟化學合成。由于苛刻條件對實驗設(shè)備的依賴與技術(shù)上的不易控制性,減弱了材料合成的定向程度。而溫和條件下的合成化學——即“軟化學合成”,正是具有對實驗設(shè)備要求簡單和化學上的易控性和可操作性特點,因而在無機材料合成化學的研究領(lǐng)域中占有一席之地。
（三）缺陷與價態(tài)控制
缺陷與特定價態(tài)的控制是固體化學和固體物理重要的研究對象,也是決定和優(yōu)化材料性能的主要因素。材料的許多性質(zhì)如發(fā)光、導電、催化等都和缺陷與價態(tài)有關(guān)。晶體生長行為和材料的反應(yīng)性與缺陷關(guān)系密切,因此,缺陷與價態(tài)在合成中的控制顯然成為重要的科學題。缺陷與特定價態(tài)的生成和變化與材料最初生成條件有關(guān),因此，可通過控制材料生成條件來控制材料中的缺陷和元素的價態(tài)。
（四）計算機輔助合成
計算機輔助合成是在對反應(yīng)機理有了了解的基礎(chǔ)上進行的理論模擬過程。國際上一般為建立與完善合成反應(yīng)與結(jié)構(gòu)的原始數(shù)據(jù)庫,再在系統(tǒng)研究其合成反應(yīng)與機理的基礎(chǔ)上,應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)并結(jié)合基因算法、退火、Monte2Carlo優(yōu)化計算等建立有關(guān)的合成反應(yīng)數(shù)學模型與能量分布模型,并進一步建立定向合成的專家決策系統(tǒng)。
（五）組合化學
組合化學是利用組合論的思想和理論,將構(gòu)建單元通過有機/無機合成或化學法修飾,產(chǎn)生分子多樣性的群體(庫),并進行優(yōu)化選擇的科學。組合化學用于合成肽組合庫,也稱組合合成、組合庫和自動合成法。組合方法同時用n個單元與另外一組n′個單元反應(yīng),得到所有組合的混合物,即n+n′個構(gòu)建單元產(chǎn)生n×n′批產(chǎn)物。
（六）理想合成
理想合成是從易得的起始物開始,經(jīng)過一步簡單、安全、環(huán)境友好、反應(yīng)快速、100%產(chǎn)率獲得目標產(chǎn)物。趨近理想合成策略之一是開發(fā)一步合成反應(yīng)，如富勒烯及相關(guān)高級結(jié)構(gòu)的合成,從易得的石墨出發(fā),只需一步反應(yīng)即得到目標產(chǎn)物,產(chǎn)率44%。趨近理想合成策略之二為單元操作。相對復(fù)雜的分子,如藥物、天然產(chǎn)物的合成,需要多步反應(yīng)完成。在自然界里,生物采取多級合成的策略,在眾多酶的作用下,用前一步催化反應(yīng)的產(chǎn)物作為后續(xù)反應(yīng)的起始物,直至目的產(chǎn)物的生成。
（七）仿生合成
仿生合成無論從理論還是從應(yīng)用上都將具有非常誘人的前景。無機合成與制備化學在生物礦化、有機/無機納米復(fù)合、無機分子向生物分子轉(zhuǎn)化等研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。用一般常規(guī)方法難于進行的非常復(fù)雜的合成如何利用生物合成將其變?yōu)楦咝?、有序、自動進行的合成。例如生物體對血紅素的合成可以從最簡單的酪氨酸經(jīng)過一系列酶的作用很容易地合成出結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的血紅素。因此,仿生合成將成為21世紀合成化學中的前沿領(lǐng)域。
二、我國無機化學研究最新進展
近幾年我國無機化學基礎(chǔ)研究取得突出進展，成果累累，主要在以下幾個方面取得了令人矚目的成績：
(1)中科大錢逸泰、謝毅研究小組在水熱合成工作的基礎(chǔ)上，在有機體系中設(shè)計和實現(xiàn)了新的無機化學反應(yīng)，在相對低的溫度下制備了一序列非氧化物納米材料。溶劑熱合成原理與水熱合成類似，以有機溶劑代替水，在密封體系中實現(xiàn)化學反應(yīng)。他們在苯中280度下將GaCl3和Li3N反應(yīng)制得納米GaN的工作發(fā)表在Science上。
(2)吉林大學馮守華、徐如人研究組應(yīng)用水熱合成技術(shù)，從簡單的反應(yīng)原料出發(fā)成功地合成出具有螺旋結(jié)構(gòu)的無機-有機納米復(fù)合材料，M（4，4''''-bipy）2(VO2)2(HPO4)4(M=Co;Ni)。在這兩個化合物中，PO4四面體和VO4三角雙錐通過共用氧原子交替排列形成新穎的V/P/O無機螺旋鏈。
(3)南京大學熊仁根、游效曾等在光學活性類沸石的組裝及其手性拆分功能研究方面設(shè)計和合成具有手性與催化功能的無機有機雜化多維結(jié)構(gòu)，他們改性了光學活性的天然有機藥物（奎寧），以它作為配體同金屬離子自組裝構(gòu)成了一個能進行光學拆分消旋2-丁醇和3-甲基-2-丁醇，拆分率達98﹪以上的三維多孔類沸石。
(4)中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所洪茂椿,吳新濤等在納米材料和無機聚合物方面的工作引起國內(nèi)外同行的廣泛重視。他們成功地合成納米金屬分子籠（nanometer-sizedmetallomolecularcage）,還成功的構(gòu)筑了一個新型的具有納米級孔洞的類分子篩[{Zn4(OH)2(bdc)3}.4(dmso)2H2O]n，其中孔洞的大小近一納米。在金屬納米線和金屬-有機納米板的合成和結(jié)構(gòu)的研究成果斐然。設(shè)計合成了一些金屬納米線，金屬-非金屬納米線和金屬有機納米板。
(5)北京大學高松研究小組在磁分子材料的研究方面取得了突出成果。在水溶液中以1：1：1的摩爾比緩慢擴散K3[M（CN）6]（M=Fe3+，Co3+），bpym(2,2''''-bipyrimidine)和Nd(NO3)3,合成了第一例氰根橋聯(lián)的4f-3d二維配位高分子[NdM(bpym)(H2O)4(CN)6]。3H2O，24個原子形成的二維拓撲結(jié)構(gòu)。
(6)清華大學李亞棟研究組在新型一維納米結(jié)構(gòu)的制備、組裝方面取得了突出的進展。李亞棟課題組首次發(fā)現(xiàn)了由具有準層狀結(jié)構(gòu)特性的金屬鉍形成的一種新型的單晶多壁金屬納米管，有關(guān)研究成果在美國化學會志上（J.Am.Chem.Soc.123(40),9904-9905,2001）報道。這是國際上首例由金屬形成的單晶納米管，鉍納米管的發(fā)現(xiàn)為無機納米管的形成機理和應(yīng)用研究提供了新的對象和課題。
面對生命科學、材料科學、信息科學等其他學科迅速發(fā)展的挑戰(zhàn)和人類對認識和改造自然提出的新要求，化學在不斷地創(chuàng)造出新的物質(zhì)和品種來滿足人民的物質(zhì)文化生活，造福國家，造福人類。當前，資源的有效開發(fā)利用、環(huán)境保護與治理、社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展、人口與健康和人類安全、高新材料的開發(fā)和應(yīng)用等向我國的科學工作者提出一系列重大的挑戰(zhàn)性難題，迫切需要化學家在更高層次上進行化學的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造出新的理論、方法和手段，并從學科自身發(fā)展和為國家目標服務(wù)兩個方面不斷提出新的思路和戰(zhàn)略設(shè)想，以適應(yīng)21世紀科學發(fā)展的需求。
參考文獻
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