一位化学家的自白:我的工作令人类获益非凡
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图片说明:化学家们的工作   图片来源:StudioVin


在酒会和晚宴上,若有人问起我的工作,我通常会说:“我是一名有机合成化学家,我制造新的分子,尤其是那些本不存在的分子。”接下来人们就会客套地表示他们在学校时没有学好化学,然后谈话就会戛然而止。

化学家们缺乏自我推销的技巧。物理学家可以通过研究在大型强子对撞机(Large Hadron Collider,一种将质子加速对撞的高能量物理设备)中的次原子粒子,探讨理解宇宙本质的必要性,而我们化学家只是埋头苦干,研发出合成分子的基本方法,并加以利用。我们通常会研究如何克服基本热力学(使元素处于稳态)的影响,并合成分子,因为若热力学控制了宇宙,人类就会灭绝,生命的基本组成成分将会只有二氧化碳、水和氨气。

化学的问题在于,许多化学内容太过有用,也太过日常化。化学通常用于日常用途,如制药、绘画、制造塑料、合成纤维和电子设备等。与之形成对比的是,物理界的大型强子对撞机则用于探索一些壮观且抽象的现象,这与人类已知的世界相差甚远。

我的工作

在过去的40年里,我一直从事于化学元素周期表中第16族元素的研究,包括硫(元素符号为S)、硒(Se)和碲(Te)。这些元素一直令我着迷不已,部分原因是由于化学反应难以预知。刚开始时,我研究的是硫氮化物,硫和氮(N)是非常独特的元素,因为它们都是自然界的基本元素。利用一些方法,我们可以克服使元素处于稳态的热力学的影响,进而合成一些只含有硫和氮元素的简单化合物,例如四硫化四氮(S4N4)化合物。四硫化四氮(S4N4)化合物是一种橙黄色晶体,呈笼状结构,于180年前首次被制造出来。这种化合物在常温下十分稳定,除非因为摩擦生热,热力学开始起作用,这种化合物才会猛烈分解为硫和氮,并引起爆炸。

四硫化四氮(S4N4)化合物的一个主要用途是作为制造其他硫氮化物的前驱体(用来合成、制备其他物质的经过特殊处理的配合料)。例如,四硫化四氮(S4N4)化合物可以点石成金,用来形成一种更长的链状分子聚合物(即高分子化合物),即聚氮化硫,它有金属光泽,导电性很好。

事实上,聚氮化硫是人们发现的在低温下可转变为超导体的第一个非金属材料。它的发现在一定程度上象征着有机电子材料的全新时代,有机发光二极管(OLED,一种最新的显示屏幕技术)电视也由此诞生,这种电视不需要背光灯(液晶显示器背后的一种光源),因此比其他类型的电视更薄、更轻。有机合成化学家们利用两种性能稳定、产量丰富的元素(即:氮元素和硫元素)合成了一种本不存在的简单化合物,从而造福人类,他们多么有创意啊!

图片说明:有机发光二极管(OLED)电视在展览   图片来源:pcpop.com

磷元素和碲元素

我所在的团队也在从事对含磷-硫化合物以及含磷-碲化合物的研究。机油添加剂中磷-硫化合物的使用非常重要,可避免机油变成焦油。而磷-碲化合物可用于制备玻璃般的半导体,从而应用到太阳能电池中,供长期使用。最近,我们一直在尝试将磷和碲合成为一种简单的化合物,即P-Te键化合物,这样的尝试非常困难。以往的观点认为,碲是一种稀散金属(通常指由镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)、锗(Ge)、硒(Se)、碲(Te)和铼(Re)7个元素组成的一组化学元素),所以P-Te键很容易会分解出碲金属。

图片说明:生命的基本组成成分   图片来源:Wolfram Burner, CC BY-SA

目前,我还想不出来磷-碲化合物的任何实际用途,但它绝非毫无用处。学习如何操控稳定P-Te键的结构,可让我们基本了解分子合成的作用力以及反应途径,这些基本了解或许可用于解决其他化学问题,如为电子业制造稳定材料。我们不断在证明,本不存在的化合物其实完全有可能合成并创造出来,用于商业用途。

化学的艺术和科学所在,其实就是制造本不存在的分子。化学也许无法像物理一样,可以解决人生中一些大的问题,但化学对科学的探索常常令我们获益非凡。归根结底,化学和物理其实没有什么不同。(科学之家,编辑/译审:YWY)
文章来源: http://www.iflscience.com/chemistry/confessions-chemist-i-make-molecules-shouldn-t-exist
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1. Polysulfur nitride - a metallic, superconducting polymer | M. M. Labes, P. Love, L. F. Nichols | Chemical Reviews, February 1979 | DOI: 10.1021/cr60317a002 | http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cr60317a002 2. Isolatable Organophosphorus(III)–Tellurium Heterocycles | Andreas Nordheider, Tristram Chivers, Oliver Schön, Konstantin Karaghiosoff, Kasun S. Athukorala Arachchige, Alexandra M. Z. Slawin, Prof. Dr. J. Derek Woollins | 16 December 2013 | DOI: 10.1002/chem.201303884 | http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201303884/abstract

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