Химия органического твёрдого тела

Химия органического твёрдого тела (англ. — organic sold-state chemistry) – раздел химии твердого тела, изучающий всевозможные химические и физико-химические аспекты органических твердых тел (ОТТ), в частности, – их синтез, строение, свойства, реакционную способность, применение и др. ^[1][2]

В отдельный раздел науки химия твёрдого тела (ХОТТ) выделилась после работ Китайгородского А.И., установившего органические кристаллы как относительно самостоятельный тип кристаллов и сформулировавшего основные принципы органических кристаллических структур ^[3].

В настоящее время к ОТТ относят не только кристаллические, но и аморфные тела, а также – любые иные, имеющие органическую природу и способность сохранять форму. Это – моно- и поликристаллы, жидкие кристаллы, порошки, в т.ч. – наноразмерные, полимеры и низкомолекулярные соединения и т.д.

В отличие от неорганических твердых тел, органические в среднем имеют низкие термическую устойчивость, плотность, электропроводность, механическую прочность и износостойкость. Превышение средних показателей наблюдается лишь у отдельных представителей ОТТ, что всегда является объектом отдельных исследований. В качестве примеров можно назвать полимеры: тефлон, обладающий высокой плотностью > 2 г\см³, химической и температурной устойчивостью до 300 С; кевлар - высокопрочный пуленепробиваемый материал.

Причиной особых свойств ОТТ является высокая распространённость слабых химических связей (ковалентная межатомная и когезионная межмолекулярная) в органических соединениях. Это в свою очередь проявляется в феномене высокой реакционной способности ОТТ при комнатной температуре.

В отдельных классах органических веществ реализуются относительно более сильные связи (ионная, донорно-акцепторная, элемент-углеродная), что и обусловливает их выделение в отдельные классы ОТТ, отличающихся более высокой проводимостью (например, соли), термоустойчивостью, механической прочностью и др.

К реакциям ОТТ обычно относят реакции типа "твёрдое - твёрдое", которые не сопровождаются изменением начального или конечного твердофазного состояния веществ, а также реакции типа "газ - твёрдое". Однако, для обеспечивания транспорта веществ необходимо образование промежуточных подвижных фаз (жидкость или газ).

В качестве примеров таких реакций можно привести топохимические реакции ^[4], в которых промежуточные подвижные фазы отсутствуют или представлены т.наз. "двумерной жидкостью". К ним относятся фотохимические реакции, реакции твердофазной полимеризации, изомеризации и др.. Таким способом могут быть получены уникальные кристаллические вещества, обладающих кристаллохимическим подобием с исходными реагентами.

Другим примером являются механохимические реакции, в которых взаимодействие веществ происходит на поверхности соприкасающихся твёрдых веществ, а образовавшийся продукт снимается посредством механического воздействия в специальных устройствах (мельницы, ступки), что приводит к периодическому обновлению активной поверхности и полному реагированию.

Примером реакций ОТТ, в которых образуются жидкие и газовые промежуточные фазы, является органический самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Эти фазы, запускающие химическую волновую реакцию, образуются посредством локального теплового импульса.

ОТТ имеют всевозрастающее применение. Основной объём их использования создаётся твёрдыми полимерами, производство которых исчисляется миллионами тонн. Другие ОТТ производятся в существенно меньших количествах.

Другие области применения ОТТ — лекарства (порошки, таблетки), рабочие тела жидко-кристаллических мониторов, устройства записи информации, катализаторы (фталоцианины), химические сенсоры и др..

Относительно недавно обнаружены уникальные оптические свойства ОТТ, позволяющие широко применять их в качестве светоизлучающих устройств (OLED). Интенсивно ведутся поиски органических проводников, полупроводников, сверхпроводников и магнитов.