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氟化學小元素里有大世界
光明圖片/視覺中國
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宇宙中的氟化物質由各種化學元素組成，在這些化學元素中，元素有一個獨特而神奇的大世河北瑞翰防腐材料有限公司元素，那就是氟化氟元素。含氟的元素新型材料能讓北京奧運會的水立方、上海世博會的大世中國館等建筑大放異彩；很多新藥中含有氟原子，手機、氟化電腦的元素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”的大世學科仍極具生命力，更多新結構、氟化反應和功能還在不斷被發(fā)現(xiàn)，元素從而影響和改變世界。大世
奇特又重要的氟化氟元素
在生活中，氟并不鮮見。元素2008年北京奧運會主游泳館——水立方，大世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，是河北瑞翰防腐材料有限公司一種新興的環(huán)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(wěn)定——活潑的含氟原料發(fā)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(wěn)定。這個過程有些像爆米花，經(jīng)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(wěn)定，例如塑料網(wǎng)特氟龍，即聚四氟乙烯，就是最穩(wěn)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。
全新的科學觀點“負氟效應”
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(guī)律，實現(xiàn)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(jīng)取得了很大的進步。經(jīng)過10多年的深入研究和思考，在進一步研究了對環(huán)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(shù)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(yè)合作，我國原創(chuàng)的氟化學試劑——sulfoxfluor，已實現(xiàn)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(jīng)成功實施。在此之前，這個試劑由美國企業(yè)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(jīng)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。
氟化學科學未來可期
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(xiàn)在的氟化學，可以為國家重大需求和經(jīng)濟社會發(fā)展，研制更多新型含氟功能分子。
以鋰的提純?yōu)槔?，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(huán)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(xiàn)鋰同位素分離的設想。兩代人接力創(chuàng)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(fā)明了新的含氟萃取劑，極大提高了化工工藝穩(wěn)定性和經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)過多年的持續(xù)創(chuàng)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(chuàng)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(jīng)產生過三個諾貝爾獎。盡管這個學科已經(jīng)發(fā)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(fā)現(xiàn)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(chuàng)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(xù)努力，讓分子創(chuàng)造價值，影響和改變世界。
