碳与金属携手共创辉煌

碳与金属携手共创辉煌

你听说过有机金属化学这样一门学科吗？它可是当前十分活跃的前沿领域之一。顾名思义，它是有机化学和无机化学相互渗透的一门边缘学科，研究的对象是有机化合物基团中的碳原子和金属之间直接形成共价键的一大类化合物，叫做有机金属化合物。

发现于1827年的蔡斯盐，其中包含着铂与乙烯中的碳形成的键，是第一个有机金属化合物。当蔡斯制备出这个柠檬黄色的晶体，并大胆地宣布它的分子式为K［（C₂H₄）PtCl₃］的时候，在化学界立刻掀起了一场不小的风波，金属和乙烯之间能成键吗？这在认为无机物与有机物之间有着不可逾越的鸿沟的年代是不可思议的事。但13年之后，这个分子式得到承认，100多年以后（20世纪50年代），借助于X射线衍射和中子衍射，才弄清楚它的结构，证明了蔡斯当初的预言。

20世纪50年代以来，有机金属化学取得了突飞猛进的发展。1963—1983年的20年间就有9位大师，因为在有机金属化学领域里获得的巨大成就，而荣获诺贝尔化学奖。化学界的最高荣誉这样集中地授予同一个三级学科，这在化学发展史上也是空前的。

1963年度的诺贝尔化学奖授予了德国人齐格勒（1893—1973）和意大利人纳塔（1908—1979），因为他们研制出一种催化剂，可以用于合成塑料、合成纤维、合成橡胶等高分子聚合物的聚合反应，这种催化剂是由钛、锆、矾、铬等金属的卤化物和烷基铝构成的。请注意烷基铝，例如三乙基铝［（C₂H₅）₃Al］中就包含着金属铝与乙基中的碳原子之间的共价键，这是一个有机金属化合物，是催化剂中的不可缺少的成分。因为它是齐格勒和纳塔二人共同发明的，并首先用于聚合反应，在化学上称它为齐格勒－纳塔催化剂。这种催化剂可以使聚合反应条件变得温和，使聚合反应定向，也就是当含有双键的有机物小分子打开双键，手牵手形成长链大分子的时候，在这个催化剂指挥棒的指挥下，可以使本来杂乱无章的长链分子变得规整有序。从而获得无规大分子所不具备的许多优异的物理性能，以满足人们的需求。从第一个塑料——赛璐珞问世至今，在与人类生活息息相关的五光十色琳琅满目的材料领域里，合成材料的世界产量已远远超过有色金属，占了全部材料的3／4。提供这些材料的基础工业就是高分子化学工业，齐格勒－纳塔催化剂正扮演着高分子化学工业中的一个决定性的角色。

20世纪40年代所用的聚乙烯薄膜等塑料制品都是高压聚乙烯。10年以后齐格勒研究用他的催化剂，把乙烯的聚合反应条件从高压、高温（1500大气压，200℃）改变成常压、常温。试想，你在实验室里制备的氧气可以装在玻璃瓶里，可是要把150多个大气压的液氧也装入玻璃瓶，玻璃瓶立刻会被炸得粉身碎骨，所以一定得有耐高压的无缝钢瓶。制造这样的钢瓶需在980℃高温下经过很复杂的旋压拉制成型工艺。一个钢瓶尚且如此复杂，更何况成套的耐1500大气压高压的金属反应设备呢？自从用了齐格勒－纳塔催化剂，反应设备问题立即变得简单省事，所以1953年齐格勒取得实验室研究成功，两年后，在德国就实现了乙烯聚合反应的工业化。能够达到这样快的速度，毫无疑问应归功于催化剂的使用。

意大利人纳塔从齐格勒的助手那里得知，齐格勒对丙烯还没有充分研究，马上开展了对丙烯聚合反应的研究，他改进了催化剂的金属卤化物部分，解决了丙烯定向聚合问题，使聚丙烯的物理性能大大改观。没有使用催化剂的无规构型聚丙烯是油状物，显然不宜加工成型；使用了催化剂的聚丙烯是全同立构体，等规有序的结构，使它的熔点提高到170℃，可以拉成轻盈柔细的纤维，机械强度比羊毛高，且有很好的绝缘性。这样就把从石油中得到的便宜的原料——丙烯，变成了品质优良的纤维。这是齐格勒—纳塔催化剂的功劳之二（图7—8）。

催化剂的功劳之三是催化制备合成橡胶的聚合反应。大家都知道天然橡胶有许多优良的品格，橡胶树是亚热带植物。包括我国在内，世界上许多国家的天然橡胶的资源远远不能满足工农业生产、交通运输和国防的需要，因而研制合成橡胶以弥补天然橡胶产量的不足成为化学工作者不能推卸的责任。早期研制出的合成橡胶是顺丁橡胶，它不仅弹性好、耐低温、抗老化，特别是耐磨性比天然橡胶还要好，但唯一的欠缺是抗湿滑性不如天然橡胶。因此，在雨天或冰天雪地里一辆高速行驶的汽车，由于轮胎性能差，刹车不灵，可能发生撞车的危险！轻则人伤车伤，重则车毁人亡，这人命关天的大事，可不能等闲视之。经过几年的努力，科研人员又研制成功了定向聚合的乙烯基顺丁橡胶。这种新产品中含有35%～55%的乙烯基，提高了－50℃～－70℃之间的抗湿滑性能，综合性能也很好。这一产品的聚合过程也离不开齐格勒－纳塔催化剂。

在有机化合物中含有1个双键、2个双键的长链的、环状的化合物种类繁多，它们都有可能打开双键，发生聚合反应，而形成高聚物。同时，齐格勒－纳塔催化剂中的两大组分金属卤化物和烷基铝等也可以作调整和变化。因此可以想象，为了得到所需性能的新型高分子材料，选择什么样的小分子有机物进行聚合反应就构成了一个广阔的研究天地，而催化剂在这片广阔天地里也同样是大有作为的。