更安全的方法

含氟化合物是一类重要的化学物质，它们应用广泛，在许多工业产品中都扮演着重要角色，比如聚合物、农用化学品、药物，以及智能手机和电动汽车中的锂电池。数据表明，2018年，含氟化合物在全球的市场规模高达214亿美元。

然而，200多年来，制备任何含氟化合物（包括单质氟，以及亲核、亲电、自由基氟化试剂）的第一步，都是将一种被称为萤石（主要成分CaF₂）的晶体矿物，转化为具有毒性和腐蚀性的氟化氢（HF）。尽管制定了严格的安全法规，但在过去的几十年里，HF泄漏事件层出不穷。这不仅会对环境造成损害，有时还会造成人员伤亡。

所有合成的氟最终都源自于CaF₂。（图/Calum Pate）

一直以来，化学家们都希望能找到更安全、可持续的制备含氟化合物的方法。但由于CaF₂是种高度不溶物，使得这一目标一直难以实现。现在，在一项新发表于《科学》杂志的新研究中，一个由牛津大学的化学家领导的研究团队找到了一种可以完全跳过有毒HF的生成过程，从CaF₂直接生成稳定的含氟化合物的方法。

来自生物矿化过程的灵感

在新的研究中，化学家们从构成了牙齿和骨骼的自然生物矿化过程中获得灵感，想要看看他们是否可以用磷酸盐离子取代CaF₂中的氟离子。磷酸钙有着比CaF₂更高的晶格能，为离子交换提供了热力学动力。

在实验中，他们模仿磷酸钙矿物质在牙齿和骨骼中形成的生物方式，在球磨机中将CaF₂与磷酸钾盐一起研磨，这利用的是一种从杵和臼研磨香料的传统方式演变而来的力化学过程。在研磨了几个小时之后，他们得到了一种可作为亲核氟源的粉状物质。

研究人员将这种粉状物命名为Fluoromix。利用高精度的X射线粉末衍射级数，研究人员解锁了Fluoromix的实际组成和结构的关键。他们发现，这种粉末是由两种不同的无机盐混合物构成的，这两种无机盐都有助于制造各种具有硫氟键（S-F）和碳氟键（C-F）的分子。

Fluoromix中的两种可作为氟化试剂的无机盐。（图/Professor Michael Hayward via cosmosmagazine）

它的出现使得直接从CaF₂合成50多种不同的含氟化合物成为可能，且收率高达98%。此外，研究人员发现，这种方法对酸级萤石（>97%，CaF₂）与合成试剂级CaF₂同样有效。

全球的范式转变

在不涉及有害的氟化氢气体的情况下，生产出对许多工业都至关重要的含氟化学品，是化学家们长时间以来一直在努力追寻的目标。这种利用磷酸盐的力化学来激活CaF₂的过程，代表了全球含氟化合物制造的范式转变。

向可持续的化学品生产方法过渡，减少或消除对环境的有害影响，是当今科学家们的一个高度优先的目标。这项突破性的成果就是朝着这个方向迈出的重要一步。这个看似简单的过程代表了一个复杂问题的高效解决方案，它可以能帮助我们简化当前的供应链，降低能源需求，并有助于实现未来的可持续发展目标，降低行业的碳足迹。

不过，关于这种反应具体是如何起作用的问题仍然存在。研究人员认为，回答这些未解之谜以及推进我们对这一领域的理解的关键在于合作。他们表示，下一步他们将继续探索Fluoromix的反应性，并希望化学界的许多其他科学家也能加入他们。

参考来源：

https://www.ox.ac.uk/news/2023-07-21-oxford-chemists-achieve-breakthrough-achievement-hazard-free-production

封面图&首图：Calum Patel via ox.ac.uk