什么是金属有机化学？

2025-03-26 17:01:37

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回答1：

人类对化学认识的进步是必然的历史趋势，同时，科学技术的高度分化和高度综合的整体化趋势也促成了当初分化了的学科之间的交叉和渗透。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。

化学主要是研究物质的组成、结构和性质；研究物质在各种不同聚集态下，在分子与原子水平上的变化和反应规律、结构和各种性质之间的相互关系；以及变化和反应过程中的结构变化、能量关系和对各种性质的影响的科学。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，而应是乘积倍数关系。其中的许多金属有机化合物已经为国民生产和人类进步作出了特殊的贡献。更重要的是，金属有机化学是一门年轻的科学，是一座刚刚开始挖掘的宝藏，发展及应用潜力不可估量。下面就按时间顺序来说明金属有机化学的产生和发展。

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/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。现已证明，这个化合物为金属有机化合物。这也成为了无机化学与有机化学的交叉学科金属有机化学的开端。而第一个系统研究金属有机化学的人则首推英国化学家福朗克兰。起初，他把他制得的一些化合物错误地认为是他所想要“捕捉”的自由基，但实际上得到的是金属有机化合物。难能可贵的是，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“新奇”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。这是金属有机化学发展上本阶段中最重要的一页。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。当格利雅得知自己获奖后，曾写信强烈要求评审委员会让他与他老师巴比尔一起分享此奖，遗憾的是他的提议遭到了拒绝。

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年工业上便大规模地生产四乙基铅作为汽油抗震剂，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给这种“优良”的抗震剂判了死刑，现在基本上已经被淘汰。

工业上第一次用金属有机化合物作为催化剂的配位催化过程，是1938年的德国Ruhrchemie化学公司的罗伦发现的氢甲基化反应，以此开创了金属有机化学中的著名的羰基合成及配位催化学科。

金属有机化学的飞速发展阶段（1951年至20世纪90年代初）

1951年鲍森和米勒那并非预期的实验结果，却偶然发现了二茂铁。由此引发的对金属有机化学原有理论上的挑战，揭开了金属有机化学发展的新序幕。这个发现是有里程碑式意义的。凭着威尔金森和伍德沃德的智慧以及费舍尔的辛勤工作，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，二茂铁的结构得以被确认为三明治夹心结构。这个美妙而富有创意构型的分子给理论化学中的分子轨道理论的发展提供了研究平台。

同时，金属有机在工业生产的应用好像也不甘示弱。1953—1955年德国化学家齐格勒和意大利化学家纳塔发现了著名的乙烯、丙烯和其他烯烃聚合的Ziegler-Natt催化剂。这又是善于从偶然的事件中看到隐藏在后面的规律并成功应用于工业生产的成功事例。它能使得乙烯在较低压力下得到高密度的聚乙烯。高密度的聚乙烯在硬度、强度、抗环境压力开裂性等性能上都比原有的在高压下聚合得到的低密度聚乙烯好，较适合生产工业制品和生活用品。加上低压法生产相对高压法生产聚乙烯容易得多，因此聚乙烯工业得到了突飞猛进的发展，聚乙烯很快成为产量最大的塑料品种。

在金属有机化学开始蓬勃发展的背景之下，研究工作更需要研究者之间的合作与交流。于是1963年的一届金属有机化学国际会议在美国辛辛纳提州召开，并开始出版金属有机化学杂志。

从此，金属有机化学的发展开始全方位欣欣向荣起来。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，所以通过对它们结构的测定发现了许多新的结构类型。其中典型的代表就是1965年威尔金森合成了铑-膦配合物及发现了它优良的催化性能。由伍德沃德领导下的合成的成功宣告人类可以合成任何自然界存在的物质。进入20世纪70年代后，科学家们逐渐归纳出了一些金属有机化学反应的基元反应，从这些基元反应又发展出一些合成上有应用价值的反应。

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。人们利用了金属有机化合物的某些优良特性，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，它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。震惊了欧洲的“反应停”事件就是很好的例子。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，于是可以通过设计好的金属有机化合物催化剂来得到我们所需要的药物分子。这一学科经过20世纪80年代的经验积累，到了20世纪90年代有了飞速的发展。对其作出了卓越贡献的三位科学家——诺尔斯、沙普勒斯和野依良治也于2001年获得了诺贝尔化学奖。

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，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。同时绿色化学的12条准则中的大部分都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。

金属有机化合物若作为催化剂来合成电子材料、光学材料和具有特种性能的无机材料，将大有作为。同时，金属有机化合物本身作为材料，也是研究的热点，并有广阔的应用前景。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。

光学材料

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的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的工作方式。而大部分的酶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将责无旁贷地大放异彩。当然化学家还需要与生物学家、工程技术专家共同协作。

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还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，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，已成为化学中最活跃的学科之一。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，其发展应用前景不可限量。

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