青年科学奖获得者胡金波：负氟效应现形记

胡金波(右)在实验室与研究生讨论工作

　　我国是氟资源大国，氟矿(萤石)储量较为丰富。因此，加强氟化学和氟材料研究，把我国的氟资源优势转化为氟技术优势，具有非常重要的战略意义。陈嘉庚青年科学奖化学科学奖获得者、中国科学院上海有机化学研究所胡金波就是在氟技术方面取得重大突破的人。

　　“钻进去”挖掘

　　氟元素在地壳层中的丰度在所有元素中排第13位，但是天然含氟有机化合物却属于“被大自然遗忘的”物质——种类和数量异常稀少。由于自然界不能为人类提供有机含氟物质，因此人类必须通过自己的聪明才智来制备有机含氟物质或含氟材料。而创制新型高性能的有机含氟材料，首先要解决的问题是如何掌握含氟体系中的化学反应规律。

　　胡金波介绍，有机化学反应千变万化，关键的反应活泼中间体基本上可以分成四类：碳正离子、碳负离子、碳自由基、卡宾(又称碳烯，有很强的亲电性)。在含氟有机反应中，关键活泼中间体也是这么4类，其中只有含氟碳负离子化学研究似乎还没有定论，如果能够摸清含氟碳负离子的化学规律，基本上可以占据有机氟化学和含氟材料研究的大片领地，为含氟药物和材料的研究提供强大的理论和实验指导。

　　2005年，胡金波“百人计划”回国以来，一直在思考两个问题：第一，如何在含氟体系的化学反应中得出一个比较容易理解的指导规律;第二，是否可以从较冷门的二氟甲基化和一氟甲基化的研究方向开始。

　　按照这个思路，胡金波研究团队在开展工作的过程中得到了漂亮的结果。

　　他们发现，与亲核三氟甲基化相比，亲核二氟甲基化的结果要好得出奇。通过进一步研究，他们又发现，其它多种碳负离子对环氧烷的开环反应，也是含氟越少越容易。这一实验事实都与传统理解相悖，因为一般认为氟原子是吸电子基团，含氟越多，碳负离子越稳定，其亲核性也越好。凭着对科研的敏感性，胡金波认为这里面可能存在一个“负氟效应”。

　　“负”既是指负电荷，也是指负面影响，“负氟效应”也可以归纳为：氟原子取代越多，碳负离子的热稳定性越差，其对一些亲电底物(酶所作用和催化的化合物)的亲核性也越差。多年来，“负氟效应”这一原创性的学术观点已逐渐被大量实验事实所证明，也逐渐得到国际同行的认可。

　　在化学学科中，有一个比较容易理解的“软硬酸碱理论”，“硬”可以比喻为性格孤僻，“软”可以比喻为性格随和。在化学反应中，“性格孤僻”喜欢与“性格孤僻”的物质发生反应;而“性格随和”喜欢与“性格随和”的物质发生反应。当“性格孤僻”碰到“性格随和”的物质，两者发生反应就困难了。

　　胡金波研究组首次较为系统地研究了含氟碳负离子的“软硬度”问题，为设计和预测亲核氟烷基化反应提供了理论基础。这一工作被日本著名氟化学家Kenji Uneyama教授评价为是“对氟科学的一项重要基础性贡献”。

　　使创制含氟物质更便捷

　　在围绕好奇心开展的一系列研究过程中，团队也得到了一些“意外”收获。特别是系列含氟烷基砜试剂的开发，不仅促进了对有机氟化学本质科学问题的理解，也极大地推进了含氟物质创制的便捷性。

　　2010年，论文发表不到1个月后，研究组研发的20克原创性试剂二氟甲基砜，被一家国外公司以2000英镑买走，而其成本不足200元，这让从事基础研究的胡金波团队感慨良久。

　　据统计，国际上含氟医药占到了市场上医药总量的20%以上，含氟农药则占到了市场上农药总量的40%。含氟医药随处可见，比如广谱型抗菌药氧氟沙星。

　　含氟有机物质在材料领域中也有非常重要的应用，如空调制冷剂，“水立方”奥运场馆的整个结构薄膜采用的也是含氟聚合物材料。

　　有机含氟材料在国防军用领域的应用更是比比皆是。各个国家都把尖端有机含氟材料当做机密材料，严格保密并禁止出口。