研氟究锂探钍基
——记有机化学家胡金波


文/熊家钰

 

胡金波,知名青年有机化学家,中国科学院上海有机化学研究所研究员、中国科学院有机氟化学重点实验室主任。曾获中国化学会青年化学奖、英国皇家化学会氟化学奖、亚洲化学大会“亚洲新星”称号、中国化学会黄维垣氟化学奖等,入选科技部中青年科技领军人才、国家“万人计划”领军人才。
2005年1月,经过在美国南加利福尼亚州大学6年的学位攻读和博士后研究之后,胡金波返回祖国,入选中国科学院“百人计划”,开展独立的科研工作。美国是国际化学中心,胡金波在美国学到的看家本领之一,便是高瞻远瞩化学世界的风云变幻和发展前沿,结合中国实际选定研究方向和课题。
为把我国氟资源优势转化为氟技术优势,他和科研团队开展了有机氟化学和有机氟材料的应用研究,提出“负氟效应”的创新学术观点;在负责“钍基核能”研究中,他对战略元素锂-6、锂-7同位素分离的探索取得重要进展。他和氟、锂、钍等化学元素结缘,研究、探索和实验它们的性能与化合、衍生化合物,唯一的目的是改造和利用它们,让人们的生活更美好。

提出“负氟效应”学术观点

氟是地球上最重要的战略元素之一,全球25%的医药和40%的农药的分子结构中含氟,各种有机含氟材料被广泛应用于军用和民用装备设施中。由于有机含氟化合物不能自然产生,100多年来,有机化学家力图通过人工合成获得有机含氟物质。
含氟物质的研制,关键在于掌握有机氟化学反应规律。含氟碳自由基、含氟碳正离子、含氟碳负离子,是合成有机含氟分子最活跃的三类中间体。前两类中间体已被化学家系统研究,只有含氟碳负离子反应特性没有定论。
胡金波以科学家的敏感,抓住国际化学界高度关注的含氟碳负离子反应特征的科学悬案,提出“如何通过深入理解氟效应规律促进高选择性合成含氟物质”的创新课题,首次提出了α-氟代碳负离子化学中“负氟效应”学术观点,并建立了开展氟烷基化反应基础研究的体系。
胡金波关于“负氟效应”的科学论断和他的科研团队的研究工作,引起国外同行的瞩目和积极评价,国内外同行逐渐接受了“负氟效应”学术观点。胡金波团队还首次较为系统地研究了含氟碳负离子的“软硬度”问题。日本著名氟化学家宇根山健治教授赞誉α-含氟碳负离子“软硬度本质”的创新性学术观点,是“对氟科学的一项重要的基础性贡献”。国际化学期刊也纷纷报道了青年有机化学家胡金波的成就。

“胡试剂”饮誉国际科坛

胡金波在2006年提出“负氟效应”科学论断的同时,开展了正向调控和反向调控“负氟效应”的研究,开发出10多个原创性氟化学试剂和反应,被国内外同行成功应用。国外《有机合成试剂百科全书》收入了胡金波团队研发的多种试剂。
他们原创开发的二氟甲基-2-吡啶基砜试剂,被美国著名有机化学家菲尔·巴兰等人称为“胡试剂”。全球最大的化学试剂公司西格玛-奥德里奇向世界各地销售“胡试剂”,并开辟专门网页介绍胡金波团队的试剂研究工作和成果。
他们开展的二氟甲基化反应和一氟甲基化反应的研究学术论文在2009年发表后,至今已被引用200多次。胡金波团队已成为全球开展二氟甲基化反应和一氟甲基化反应,以及氟烷基亚砜亚胺作为氟烷基化试剂最主要的研究课题组之一。
他们在化学界首次通过实验观察到朱利亚烯烃合成反应中的亚磺酸盐中间体的生成,并巧妙地将该烯基化反应“改版”为烷基化反应,从而改变了有机化学界对传统的朱利亚烯烃合成反应的认识。这一“改版”对今后开展相关研究工作具有重要的示范作用。
国际化学主流杂志多次发表国外学者的评论,认为胡金波团队的工作是“当代有机化学中较难的创新性工作”“化学界的重要发现”“化学科学的最新领域”。2015年,胡金波应邀在国际重量级化学期刊《化学评论》上发表了关于含硫的氟化学试剂的综述。2016年,他应邀在另一重量级期刊《化学会评论》上发表关于独特“氟效应”的综述。

实践颠覆不科学观点

实践是检验真理的唯一标准,科学实验是检验科学观点的唯一标准。胡金波在氟化学的研究中,坚持实事求是,以严谨的科学实验证实科学的学术观点,对国际氟化学领域中多年来存在的不正确和不科学的认识和观点予以纠正和颠覆,活跃了化学科研的百家争鸣的学术氛围,推动了氟化学研究的进展。
2010年,日本氟化学领军人物柴田哲男教授在论文中指出:“由于产物分子结构在空间上的位阻太大,所以不论采用什么反应条件,二(苯磺酰)一氟甲烷都不能与醛发生加成反应。”胡金波发现,这一结论与他的团队通过对比实验和量子化学理论计算所证实的结论相悖。胡金波将自己的科学论据发表在2011年的同一刊物上。文中很诚恳地指出,日本学者之所以未能做成加成反应,原因在于未能控制低温和未利用锂离子作为阳离子的碱。胡金波作为中国氟化学家在学术讨论中与人为善的友好态度,赢得了国内外同行的好评。
氟元素是地壳中含量最丰富的卤素,而天然有机含氟化合物种类和含量稀少。多年来,化学界认为如此反差源于在碳-氟键形成过程中,天然存在的氟化试剂(主要是氟离子)容易受水的影响,从而降低甚至失去反应活性,由此得出了“水的存在不利于亲核三氟甲基化反应”的结论。胡金波指出了这一传统说法的谬误。
胡金波团队在探索三氟甲基化反应的新成键模式过程中,找到了一种合成α-三氟甲基羧酸酯的普适性新方法。他们发现,向体系中添加适量的水,不但不会影响三氟甲基铜的稳定性,而且可以大大促进三氟甲基化反应的顺利进行。
因此,胡金波团队依据确凿的科学实验,颠覆了水降低氟化学反应活性的不科学说法,向化学界宣告:“在一些有机氟化学反应中,水不仅不会带来负面影响,而且会高效地促进这些氟化学反应;在某些氟化学反应中,水虽然不是反应物,但水的存在对反应顺利进行起着决定性的作用。”
胡金波的科学结论在2012年的《美国化学会志》发表后,引起化学界的反响,成为该刊网络版2012年10月被下载次数最多的10篇文章之一,并被国际著名化学评论期刊收录。

锂同位素的绿色分离

锂是最轻的金属,可制合金和特种玻璃。锂在自然界中存在的稳定同位素有锂-6和锂-7两种。锂-6与中子发生反应,可产生非稳定同位素氚,氚和稳定同位素氘发生热核聚变,能释放巨大能量。因此,锂-6是不可替代的国防战略资源和关键的能源材料。随着可控核聚变技术的发展,用于新一代钍基熔盐裂变堆中的锂-7也身价骤升。
中国科学院上海有机化学研究所自20世纪70年代开始,一直致力于研究锂同位素萃取法分离新工艺。他们采用的有机溶剂萃取交换法,液液两相转相方便,分离系数高,易于放大生产,而且无须使用剧毒的金属汞,大大提高了环境友好性。
胡金波担任中国科学院战略先导科技项目“未来先进核能——钍基熔盐堆”课题负责人。他率领团队经过三年努力,在国际上首次运用有机萃取法得到了丰度为99.992%的锂-7样品。这一技术有望把每吨4万元人民币的天然锂盐,富集成目前国际市场价每吨约1亿元人民币的核能领域的关键材料——高丰度锂-7。美国橡树林国家实验室专家称赞胡金波团队的技术是“国际领先的绿色分离锂同位素的先进技术”。
目前,上海有机化学研究所已建成160级离心萃取分离锂同位素实验装置和锂同位素丰度质谱分析检测平台。运用这些设备和工艺技术,可实现160级锂-7和40级锂-6同位素串级萃取高效富集。
11年来,胡金波为氟、锂的研究付出了很大精力,他正在为我国的热核聚变清洁能源和热核战略武器的发展继续努力。最近,他的团队以理论研究和科学实验结合的文风,为相关部门草拟了《关于我国实施锂-6同位素战略储备的建议》,详尽分析了国内外锂-6同位素的研究最新动向和我国未来的需求,介绍了上海有机化学研究所在锂同位素研究方面的成就和我国在有机萃取分离方面的领先地位,提出了具有远瞻性的设想和建议。
在这份科学研究论文性质的建议中,他盛赞了我国科学家的成就和上海有机化学研究所的团结奋进和攻关精神,只字未提他本人发挥的领衔和担当的作用,表现出一位青年科学家谦恭和审慎的科学风范。

(本文作者熊家钰为浙江大学校史研究会研究员)

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