宇宙中的物質由各種化學元素組成，在這些化學元素中，有一個獨特而神奇的元素，那就是氟元素。含氟的新型材料能讓北京奧運會的水立方、上海世博會的中國館等建筑大放異彩；很多新藥中含有氟原子，手機、電腦的顯示屏也會用到含氟液晶材料……盡管氟化學科學已有200多年的歷史，但這個“古老”的學科仍極具生命力，更多新結構、反應和功能還在不斷被發現，從而影響和改變世界。在生活中，氟并不鮮見。2008年北京奧運會主游泳館——水立方，它的膜結構所使用的就是含氟材料——四氟乙烯。這種材料耐腐蝕性、保溫性俱佳，自潔能力強，是一種新興的環保材料。氟碳涂料還曾在上海世博會上大放異彩，大氣雄偉的中國館采用了聚偏二氟乙烯氟碳涂料噴涂，形成了絢麗的“中國紅”。
在國際氟化學科學界，有兩個詞語用來概括氟的重要性。第一個是獨特。它是最具顛覆性的元素，為何能用“最”來形容一個化學元素？這是因為氟的電負性大，化學性質非常極端。這使得很多含氟原料性質很活潑，但含氟產物卻很穩定——活潑的含氟原料發生化學反應時，會釋放出很大的能量，但能量釋放之后所得到的含氟產物卻特別穩定。這個過程有些像爆米花，經歷過“燃爆”，然后沉淀下來。氟還能跟碳原子形成最強的化學鍵，這種特性讓含氟材料非常穩定，例如塑料網特氟龍，即聚四氟乙烯，就是最穩定的材料之一。氟的原子半徑非常小，這也是氟元素的一大特性。利用這三個性質，可以制造出許多非常獨特且重要的含氟材料。第二個形容氟的詞語是有用。全球新注冊的藥物中20%—25%含有氟原子。一些患者做PET—CT檢查時，也要用到18F—FDG，即氟代脫氧葡萄糖。人們日常所用的手機、電腦等電子設備的顯示屏都會用到含氟液晶材料。國防領域含氟材料的應用也非常廣泛。在航空航天領域，陀螺油、高低溫潤滑油等都是含氟材料。在原子彈等所需的國防尖端材料中，含氟材料亦占有重要的一席之地。含氟材料這么重要，但令人奇怪的是，目前對人類有用的含氟物質，都是人類依靠自己的聰明智慧造出來的。大自然中雖然有很多無機氟化物，例如氟化鈣等，然而對人類社會有用的，含有碳—氟（C—F）鍵的有機氟化物卻非常稀少。正因為氟這么神奇，對人類社會的貢獻這么大，理解和掌握氟化學科學反應規律，實現含氟有機分子的高效合成，理所當然是當前化學研究的前沿領域。在這方面，我國已經取得了很大的進步。經過10多年的深入研究和思考，在進一步研究了對環氧烷的氟烷基化反應之后，我國的研究團隊在國際上首次提出了一個全新的科學觀點——“負氟效應”，即氟原子對碳負離子中心的取代個數越多，碳負離子對許多親電底物的親核反應活性往往會隨之降低。這一觀點得到了國內外同行認可，并被寫入《中級有機化學》教科書。以新理論為基礎，我們的科研人員研發出3類10多種新型氟化學合成試劑，包括砜試劑系列、亞砜亞胺試劑系列、二氟卡賓試劑等。這些基于“負氟效應”調控的試劑，解決了一氟甲基化和二氟甲基化、二氟和一氟烯基化、二氟卡賓化學等問題。這些試劑被250多家公司或研究機構使用超過528次。美國科學家研究含氟生物化學活性物質時，多次用到這些試劑，日本科學家也用到其中的亞砜亞胺試劑，他們均在公開發布的論文中，把這些試劑稱為“胡試劑”。在氟化學科學里，還有一個長期難以破解的大難題——氟碳鏈延長容易爆炸。2017年，我們的研究團隊在這方面取得了突破，實現了由碘化鈉催化的三氟甲基三甲基硅烷中一個碳變成兩個碳相連，從而生成四氟乙烯的反應。該反應被美國《化學與工程新聞》評價為“一個制備四氟乙烯的突破性方法”。隨后，我們的研究團隊還實現了銅促進的氟碳鏈從一個碳變成兩個碳和從一個碳到三個碳的延長。這種氟碳鏈延長的辦法，將原有的爆炸隱患一掃而空，還可以按照科研人員的意愿可控延長。2020年，一位意大利化學家來信，稱這是該研究方向的先驅。在這些研究成果基礎上，氟化學的成果轉化也取得了顯著效果。與相關企業合作，我國原創的氟化學試劑——sulfoxfluor，已實現了批量的商品化生產和銷售。最近還有一個氟試劑噸級生產工藝也已經成功實施。在此之前，這個試劑由美國企業在全球銷售。我國的這些氟化學科研成果在國際上取得了良好的反響。國際知名制藥公司輝瑞，也主動邀請我國的科研團隊幫助解決一個最新的，治療癌癥的藥物生產問題。經過半年的努力，雙方合作解決了藥物里面高效引入二氟甲基的問題。在突破性科學理論的基礎上，再加上由此構建的新型試劑和反應體系，現在的氟化學，可以為國家重大需求和經濟社會發展，研制更多新型含氟功能分子。以鋰的提純為例，天然的鋰資源——碳酸鋰，1噸的價格，目前大約是18萬元人民幣，但是提純以后，純度為99.9%的鋰7，目前國際市場價格1噸大約為1億元人民幣，如果純度更高一些，99.99%的鋰7國際市場什么價格呢？2.3億元人民幣/噸。從價格的巨大差異可以看出，鋰提純的難度所在。目前世界上提純鋰的方法，還是1936年美國科學家的鋰7汞齊交換法，分離1噸鋰同位素需要1000噸的汞，而汞是有毒金屬。這樣大量使用汞，不僅成本很高，對環境的危害性也非常大。早在1967年，我國科學家就曾提出用有機方法來實現鋰同位素分離的設想。兩代人接力創新，我們年輕一代科學家站在老一代科學家肩膀上，遵循這樣的設想，發明了新的含氟萃取劑，極大提高了化工工藝穩定性和經濟性。目前，在工程研制階段，利用這種新型含氟萃取劑，我們可以把天然的92.5%鋰7同位素提純到99%以上，這是在世界上首次利用有機萃取法實現對鋰的提純。在實驗室里，還可以把99.9%的鋰7富集到99.99%以上，這也是世界上第一次利用有機萃取法實現的，此前國際上從來沒有報道過。這項成果不僅得到中國科學家的好評，在與美國同行交流之后，他們也認為這是非常新的綠色先進技術。經過多年的持續創新，我國在氟化學研究方面，也獲得了國際同行的好評。2022年美國化學會化學創造性工作獎授予了中國團隊，此前，我國的團隊也曾獲得過英國皇家化學會的氟化學獎等。在氟化學科學領域，曾經產生過三個諾貝爾獎。盡管這個學科已經發展了200多年，但仍具有新的生命力。這是因為化學科學主要在于發現新結構、新反應和新功能，新一代科學家仍然能在前人的基礎上創制具有獨特結構和功能的物質，服務社會，造福百姓。未來，我們還要繼續努力，讓分子創造價值，影響和改變世界。 返回
