加拿大麦吉尔大学的化学博士Cristina Mottillo正慢条斯理地做着化学实验。她将研细的白色粉末倒入带盖的培养皿中，用小玻璃瓶将粉末均匀地铺平，然后盖上盖子，把培养皿放在恒温箱中密封保存，调整恒温箱的温度和湿度与热带地区的湿热夏季类似，等着化学反应发生。在接下来的四天中，Mottillo什么事都不用干，培养皿中的三种化学物质就会慢慢变成ZIF-8。ZIF-8是一种稳定的多孔化合物，被称为金属-有机骨架（metal-organic framework），广泛用于碳的捕捉和储存，价值超过白色粉末原料的100多倍。

Mottillo做的实验和标准的化学合成实验方法有着本质区别。经典的化学合成是把反应物放在溶液中，利用溶解、加热和搅拌等操作来加快化学反应。这些化学技术不怎么费时，理论上也很容易理解，但是的确会在过程消耗大量的化学物质和能源，而且严重污染环境。据估算，化工厂和大学实验室产生的化学废弃物中大约50%～80%都来自化学合成、分离、提纯中废弃掉的溶剂。

“绿色化学”运动已经在世界范围内倡导了二十多年，一直想找到尽量减少有毒化学废弃物的方法。Mittillo是少数采用了比“绿色化学”标准更严格的方法的科学家之一。她的博士生导师麦吉尔大学的化学家Tomislav Friščić称他们开发的新方法为“懒人化学”，就是把一堆固体反应物质放在那，一不担心二不愁，让它们自动进行化学反应。这个过程更加确切地说叫“慢化学”，或者更通俗点“老化”。整个过程几乎不用什么有害试剂，如果要用，剂量也极少，消耗的能量也是目前的化学反应中最少的。而且，要是合理计划，这种反应中用到的所有化学试剂都会物尽其用，没有多余的废弃物，甚至不需要再额外添加各种各样的化学试剂对产物进行分离提纯。

像这样的化学过程在历史上已经存在了上千年了，人们早就不陌生了，例如妇孺皆知的铁锈、自由女神像日晒雨淋二十年之后长了铜绿等等。只是直到现在，科学家才开始理解慢化学，并试着研究如何对这些反应过程进行控制，得到想要的产物。在过去的几十年中，研究人员已经利用慢化学的技术生产出了有价值的产品，例如有机金属复合物、药物、简单的有机化合物和荧光材料等等。 Friščić等慢化学的支持者们还想把慢化学技术推广到更多的领域中，最终彻底改革化学制造业，把它变成一个清洁的行业，杜绝浪费和污染。

最大特点

即使是最热情最坚定的慢化学支持者，也承认老化里发生的化学反应不怎么靠得住。在学校的化学课上，老师介绍的好的化学反应通常都在溶液里进行，溶液中的分子反应更快，分子可以在溶液中自由运动，与其他分子相互碰撞，化学键的破坏和形成都更容易。但是慢化学在固体中发生。固体嘛，顾名思义，每一种物质都有固定的位置。意大利博洛尼亚大学的固态化学家Dario Braga说：“人们总觉得，分子碰到石头就完蛋了。”

固体反应往往需要数月或数年才能发生，虽然缓慢，但大自然中的确是存在的。在澳大利亚西部，海鸟粪和岩石里的硫化铜矿反应生成草酸铜石，一种不常见的绿色草酸铜矿物质。岩石上长的地衣可以分泌一些简单的有机弱酸，这些弱酸慢慢地和岩石矿质发生反应，就产生了复杂的金属-有机骨架，保护地衣不受其他微生物破坏。

进入十九世纪后，慢化学反应开始用于生产铅白，一种在艺术史上运用最广泛的颜料。当时的生产者先在醋桶外箍上铅皮，再把醋桶放在小棚里的粪坑上。在空气中的水蒸气和粪肥中的二氧化碳的熏蒸下，铅皮慢慢发生反应，生成了碳酸铅和氢氧化铅的白色混合物。在这个过程中，醋是反应的催化剂，而粪肥降解产生的热量则维持了小棚的温度，保证了反应速率。大约三个月后，就可以把颜料从铅皮上刮下来，冲洗干净后磨成细粉。《蒙娜丽莎的微笑》和《戴珍珠耳环的少女》等世界名画都用到了这种白色颜料。

但是最近慢化学的大量应用却与艺术毫无关系，一个原因是制药行业对慢化学产生了浓厚兴趣，想通过控制老化过程来延缓药物降解；另一个原因是固态化学不再神秘，人们认识到固体中发生的化学反应其实比液体复杂得多，固体中的不同成分聚集成块，很少互相混合，但固体表面的裂缝或损耗能让化学反应以不同的方式不同的速率进行。随着影像技术的快速发展，化学家可以更好地了解固体中的慢化学反应过程和反应产物。

有了这些知识，慢化学支持者们就可以对自然的老化过程加以改进，提高慢化学反应效率，推翻那些说慢化学又慢又没谱的观点。Friščić相信，只要能提前做好安排，慢化学就不慢。Mottillo合成金属-有机骨架的实验，就是想加快矿物质和地衣酸之间的化学反应。

实际应用

Friščić有个学生想将主族金属氧化物、过渡金属氧化物和镧系金属氧化物，通过另一种不同的老化过程合成多种多样的金属-有机骨架。他研究发现，每种金属氧化物的老化速率不同，据此可以区分不同的金属。金属老化产物的密度低于金属氧化物，将两者置于中等密度的液体中，老化产物悬于其上，而氧化物则沉于其下。Friščić认为，金属氧化物是理想的反应试剂，一来便宜、安全、取之容易，二来反应副产物只有水。其他金属盐，例如氯化物或硝酸盐会在反应后产生强酸，这些有毒废弃物处理起来颇费周折。而且，许多自然形成的金属氧化物必须用强酸从矿石上滤取出来，而老化过程则省去了这一步，可以直接从矿石上得到有价值的金属-有机骨架。Friščić和他的团队正在努力将这一过程规模化，用于化学工业上的金属提取和分离。

Friščić表示，有一些非常简单方法可以直接加快反应速率。一种方法是将样品置于潮湿的环境中，水蒸气可以进入固体结构的空隙中，作为润滑剂帮助固体内部的原子或分子扩散、反应或形成新的结构。另一种方法是提高反应温度，比方说45℃，这个温度虽然和典型的反应锅中几百摄氏度的高温比起来相差悬殊，但已经足以加快老化过程。Mottillo说：“如果我们住在印度，就可以直接在室外做实验了。”还有一种方法是将反应物放在一起磨细混匀，增加颗粒物的表面积，让它们之间的接触面积更大，从而加快反应速率。这也是为什么Mottillo合成ZIF-8只要了几天，而不是几周的原因。

Braga和他的团队把固体反应物放在小瓶中，用溶剂蒸气处理后得到了许多不同的化合物，他们把这个老化过程叫蒸气消化（vapour digestion）。举个例子，将碘化铜固体和一种有机化合物一同置于水蒸气、乙腈蒸气或甲苯蒸气中，大约一周后可得到三种铜基聚合物，在紫外线照射下会发光。这样的聚合物可以用到发光二极管和显示屏中。据Braga介绍，碘化铜用一般的试剂很难溶解，但是蒸气消化可以促进碘化铜等难溶化合物更容易发生化学反应。

说句实话，Braga和Friščić并不清楚在这些老化过程中到底发生了些什么反应。克罗地亚萨格勒布大学的助理教授Dominik Cinčić正在用他们的方法进行有机合成。有机合成是化学的一个分支，一般需要消耗大量的能源和化学原料。他们的研究显示，蒸气消化可用于合成席夫碱，一种含碳氮双键的有机小分子。接下来，他们想用这种方法实现胺的一步合成。胺在印染业和制药业应用广泛，一般需要两三步合成反应才能制备。

从事以老化为基础的化学合成工作的学者承认，目前这个领域还有很多问题等着解决，要做的事有很多。这类反应的具体机制还没有阐释清楚，也没有人开发出好的计算模型加快研究进展。而且，慢化学的怀疑论者依旧不相信化学工业有朝一日可以完全用不着液体溶剂。德国亚琛工业大学的绿色化学家Walter Leitner指出，老化研究已经在无机合成领域取得了最大成功。一直以来，无机合成就比有机合成对环境的不良影响要小得多，这是因为有机合成过程中用到的溶剂最多。在他眼中，一位绿色化学家在有机合成领域最值得有所作为最能解决现实问题的一件事情就是，寻找像水这样对环境友好的化学物质来替代有毒溶剂。

尽管反对的声音不绝于耳，Friščić并没有灰心失望，依然坚持自己选择的道路。他自信满满，一切可以在液体中完成的事情，都可以在老化过程中照样实现，甚至可以做得更多更好。目前，他正在研究慢化学的反应机制，监测老化发生时的化学反应。他说：“我们要做的就是去探索，仅此而已。”

(作者：包丽霞、邱梅)

参考文献：Nature 2015;524:20-21