更安全的方法
含氟化合物是一類重要的化學物質，它們應用廣泛，在許多工業產品中都扮演著重要角色，比如聚合物、農用化學品、藥物，以及智能手機和電動汽車中的鋰電池。數據表明，2018年，含氟化合物在全球的市場規模高達214億美元。
然而，200多年來，制備任何含氟化合物（包括單質氟，以及親核、親電、自由基氟化試劑）的第一步，都是將一種被稱為螢石（主要成分CaF₂）的晶體礦物，轉化為具有毒性和腐蝕性的氟化氫（HF）。盡管制定了嚴格的安全法規，但在過去的幾十年裡，HF泄漏事件層出不窮。這不僅會對環境造成損害，有時還會造成人員傷亡。
所有合成的氟最終都源自於CaF₂。（圖/Calum Pate）
一直以來，化學傢們都希望能找到更安全、可持續的制備含氟化合物的方法。但由於CaF₂是種高度不溶物，使得這一目標一直難以實現。現在，在一項新發表於《科學》雜志的新研究中，一個由牛津大學的化學傢領導的研究團隊找到了一種可以完全跳過有毒HF的生成過程，從CaF₂直接生成穩定的含氟化合物的方法。
來自生物礦化過程的靈感
在新的研究中，化學傢們從構成了牙齒和骨骼的自然生物礦化過程中獲得靈感，想要看看他們是否可以用磷酸鹽離子取代CaF₂中的氟離子。磷酸鈣有著比CaF₂更高的晶格能，為離子交換提供了熱力學動力。
在實驗中，他們模仿磷酸鈣礦物質在牙齒和骨骼中形成的生物方式，在球磨機中將CaF₂與磷酸鉀鹽一起研磨，這利用的是一種從杵和臼研磨香料的傳統方式演變而來的力化學過程。在研磨了幾個小時之後，他們得到了一種可作為親核氟源的粉狀物質。
研究人員將這種粉狀物命名為Fluoromix。利用高精度的X射線粉末衍射級數，研究人員解鎖了Fluoromix的實際組成和結構的關鍵。他們發現，這種粉末是由兩種不同的無機鹽混合物構成的，這兩種無機鹽都有助於制造各種具有硫氟鍵（S-F）和碳氟鍵（C-F）的分子。
Fluoromix中的兩種可作為氟化試劑的無機鹽。（圖/Professor Michael Hayward via cosmosmagazine）
它的出現使得直接從CaF₂合成50多種不同的含氟化合物成為可能，且收率高達98%。此外，研究人員發現，這種方法對酸級螢石（>97%，CaF₂）與合成試劑級CaF₂同樣有效。
全球的范式轉變
在不涉及有害的氟化氫氣體的情況下，生產出對許多工業都至關重要的含氟化學品，是化學傢們長時間以來一直在努力追尋的目標。這種利用磷酸鹽的力化學來激活CaF₂的過程，代表了全球含氟化合物制造的范式轉變。
向可持續的化學品生產方法過渡，減少或消除對環境的有害影響，是當今科學傢們的一個高度優先的目標。這項突破性的成果就是朝著這個方向邁出的重要一步。這個看似簡單的過程代表了一個復雜問題的高效解決方案，它可以能幫助我們簡化當前的供應鏈，降低能源需求，並有助於實現未來的可持續發展目標，降低行業的碳足跡。
不過，關於這種反應具體是如何起作用的問題仍然存在。研究人員認為，回答這些未解之謎以及推進我們對這一領域的理解的關鍵在於合作。他們表示，下一步他們將繼續探索Fluoromix的反應性，並希望化學界的許多其他科學傢也能加入他們。
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#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.ox.ac.uk/news/2023-07-21-oxford-chemists-achieve-breakthrough-achievement-hazard-free-production
#圖片來源：
封面圖&首圖：Calum Patel via ox.ac.uk
