中国科学院上海有机所卿凤翎：萤石活化直接制备含氟物质是里程碑式突破
时间: 2024-09-05 08:47:30 | 作者: 超细粉加工设备
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含氟物质应用场景范围十分普遍，在现代科技中起到及其重要的作用，在生物医药、农用化学品、信息产业和新能源汽车等领域中都有广泛应用，但天然有机氟化合物极其稀有。因此，发展有机氟化合物的合成方法学一直是化学学科的重要研究领域。
通常氟化物都是从强腐蚀的有毒气体氟化氢中制得，但氟化氢泄漏事件时有发生，致命事故也难以避免。而最近英国牛津大学化学家Veronique Gouverneur 教授团队首次实现了通过活化萤石（CaF2, 氟化钙）直接制备含氟有机物，并在《科学》杂志上发表了这一全新的方法。相比于之前的方法，这样的解决方法更安全，对此，搜狐科技对话了中国科学院上海有机化学研究所卿凤翎研究员。
他表示：“我认为这个工作在整个有机氟化学领域里是一个里程碑式的工作。目前所有的氟化物及氟材料都是采用萤石为氟源。首先是萤石和硫酸进行反应产生氟化氢，再从氟化氢出发生产无机及有机氟化物。氟化氢是一种强腐蚀的有毒气体。 生产、运输和使用氟化氢一定要采取特殊的安全保护措施来确保氟化氢不外泄。”
“而牛津大学采用的是比较温和的方法来活化氟化钙，将1摩尔氟化钙和2.5摩尔的磷酸二氢钾放在球磨机中进行9个小时的研磨得到一种具有氟化活性的无机氟盐，该盐可与有机物反应生产含氟有机物。虽然此前氟化钙与含磷化合物的反应也有过相关研究，但牛津大学这个研究方法简单又巧妙，是具有创新性的。”卿凤翎如是说。
卿凤翎认为该方法在成本方面还无从谈起。目前这个反应仅用于合成一些含氟精细化学品，对氟化学工业有什么影响尚不确定。“这个研究绕过了氟化氢，是非常有意义的，我认为这能够为未来的研究提供方向性的指导，就是向更绿色可持续的方向生产含氟物质。”卿凤翎如是说。
在谈及我国生产含氟物质的技术水平时，卿凤翎表示：“我认为目前我们国家在氟化物和含氟材料方面是能够满足国家基本需求的。我们国家现在是全世界最大的含氟化学品和含氟材料生产国。国内的氟化工技术发展很快，许多氟化物产品已出口，但部分高端氟化物的生产技术还需提升。”
科学总是发现问题再进一步解决问题，“所以未来发展氟工业还是要找到一个对环境友好、能够可持续发展的方向。”卿凤翎如是说。
搜狐科技：英国牛津大学化学家团队首次在不使用危险气体的情况下生产出氟化物，研究团队从形成牙齿和骨骼的自然生物矿化过程中获得灵感，您可否从科学的角度谈谈具体是以一种什么样的方式制成的呢？
卿凤翎：我从事有机氟化学近40年了，我觉得这个工作在整个有机氟化学领域里是一个里程碑式的工作。自然界几乎是没有含氟的有机氟化物，含氟的高分子材料和有机氟化物都是人造的，但它在生命科学、日常生活和国防军工领域都发挥了十分重要的作用。
自然界氟的主要存在形式是无机氟化物，也就是萤石（氟化钙）。所有的氟化物及氟材料都是采用萤石为氟源，首先是萤石和硫酸进行反应产生氟化氢，再从氟化氢出发生产无机及有机氟化物。 萤石与浓硫酸反应生成氟化氢是一个能量消耗的过程，而且氟化氢腐蚀性很强、有毒，特别是氟化氢在运输的过程中是非常危险的，必须采取比较特殊的安全保护保护的方法来确保氟化氢不外泄。
所以这250年来，科学家们一直想直接通过萤石来合成有机氟化物，虽然探索了很长时间，但是两个问题很难解决，第一就是氟化钙在水和有机溶剂中的溶解性很差；第二个氟与钙的结合十分强大，很难与其他物质反应。因此牛津大学的这个成果在有机氟化学领域里是一个很大的突破。
牛津大学Veronique Gouverneur 教授是基于氟化钙能够与磷化合物的反应，但是这个反应很早就有了，早在1932年就有专利公开了氟化钙与磷化合物在高温下可以发生反应。我们国家扬州大学化学与化工学院的教授在2019年也有过相关研究并发布了论文，氟化钙与五氯化磷在高温下反应生成五氟化磷，接着与氟化锂进行反应得到六氟磷酸锂。
因此氟化钙跟磷化合物的反应很早就有了，但是温度都比较高，要达到300度以上才可以把氟离子释放出来。我认为正是这些研究给了她启发，但是她没有使用高温，她现在采用的是比较温和的方法，将1摩尔氟化钙和2.5摩尔的磷酸二氢钾一起放在球磨机中研磨9个小时，研磨之后就得到了具有氟化活性的白色粉末氟盐，该盐可作为氟化试剂。所以说这个研究是很创新的。
搜狐科技：在新的方法中，氟化物直接由萤石制成，完全绕过了氟化氢，并且采用了机械化学工艺，将氟石与粉末状磷酸钾盐一起在球磨机中研磨了几个小时，那生产成本和时间相比于原来是怎样的呢？
卿凤翎：我认为成本问题现在没有办法谈起，因为这个研究在工业界有多大影响现也不能确定。虽然这个研究是很大突破，但这个研究的转化情况和利用情况现在还不清楚，而且这个反应现在只能做一些含氟精细化学品。
卿凤翎：现在判断为之过早，还是要看这个方法对氟化学工业能否产生影响。就目前来看在含氟精细化学品合成方面会用一些应用，并且这位教授现在也成立了一家公司来进行后续的研究，所以后面是肯定会有所发展的。而且这个研究可以说是非常简单和巧妙的，我认为虽然是在前人的文献基础上进行的研究，但是确实是首次在温和条件下生产出氟化物，是非常有意义的。并且能够为未来的研究提供方向性的指导，就是向更绿色的方向生产含氟物质。
卿凤翎：应用领域确实有很多。比如说医药领域，现在有20%的药含有氟原子，还有在生物医学方面也有应用。从材料领域看，现在新能源汽车、信息产业等领域都有应用。还有就是在国防军工领域也有很多应用，比如说航空发动机的密封圈就是使用了含氟橡胶，这是在极端条件下可以使用，因为它耐高温、耐油、耐介质等；再比如芯片制造这里面也用到含氟材料。举一个我们身边的例子，“水立方”的膜结构就是采用ETFE（四氟乙烯-乙烯共聚物）膜材料。
搜狐科技：目前我们国家生产氟化物的技术水平如何？研究现状与其他国家比是怎样的呢？
卿凤翎：经过几十年的发展，我们的祖国现在是全世界最大的含氟化学品和含氟材的生产国，我们很多氟化物产品已经出口了，比如：氟塑料、氟橡胶、含氟精细化学品等，但部分高端氟化物生产在技术上还需要提升。我认为目前我们国家在氟化物和含氟材料是能够很好的满足国家基本需求的。
卿凤翎：含氟材料由于它的特性在国防军工和高新技术产业等领域起到不可替代的作用。但含氟材料是非常难降解的，残留在地球上会对环境、生态及人类健康产生一定的影响，目前世界各国越来越关注该问题。所以未来发展氟化学工业还是要找到一个对环境友好、能够可持续发展的方向，比如说把这些含氟材料来回收然后再转换成含氟的原料实现循环。返回搜狐，查看更加多
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