【科普讲堂】含氟化合物的前世今生

清晨，您使用含氟牙膏进行牙齿清洁；中午，不粘锅中的聚四氟乙烯保护着煎蛋；夜晚，空调释放的第四代氢氟烯烃制冷剂维持室内的凉爽——这些看似普通的日常生活场景，背后都隐含着一个神秘元素：氟。

氟是自然界中电负性最强、最活跃的非金属元素，它既能使钻石瞬间燃烧，也能与碳原子形成“史上最牢固的结合”，催生出改变人类文明进程的含氟化合物。从冷战时期的含氟神经毒剂到诺贝尔奖的荣誉，从臭氧层的空洞到医用氟化纳米材料的革命，氟的化学故事堪称微观世界的史诗。

前世篇---与魔鬼共舞的氟元素探索

01  氟单质的制取

1771年，瑞典化学家舍勒成功从萤石（主要成分为CaF₂）中分离出氢氟酸，这种具有腐蚀玻璃特性的液体立即引起了科学界的高度警觉。1810年，被誉为“化学元素之王”的英国科学家汉弗里·戴维首次提出了“氟”这一元素的概念，但其实验过程中因中毒险些丧命。此后的半个世纪内，有超过30位科学家在探索氟单质的过程中付出了健康甚至生命的代价，直至1886年，法国化学家莫瓦桑采用电解法成功分离出淡黄色氟气，这一被视为“死亡挑战”的尝试最终以他获得诺贝尔化学奖画上了句号。

亨利·莫瓦桑

02 特氟龙的诞生

在20世纪30年代，美国化学家发现了六氟化铀气体的扩散特性。这种能够在常温下气化的铀化合物在曼哈顿计划中成为浓缩铀的关键介质。与此同时，Roy J. Plunkett在杜邦实验室首次制备了聚四氟乙烯，标志着含氟聚合物的诞生。聚四氟乙烯（别名“特氟龙”，也称为“塑料王”）是一种由人工合成的高分子材料，其化学结构由氟原子完全替代聚乙烯中的所有氢原子组成。这种材料具有优异的抗酸、耐碱以及抗多种有机溶剂的特性，几乎不溶于任何溶剂。此外，聚四氟乙烯还表现出耐高温与极低摩擦系数的特点，因此被广泛应用于各种需要耐酸碱及有机溶剂的场合，诸如制作不粘锅和干式变压器。由于聚四氟乙烯质地柔软，它通常被用作涂层材料。该材料最知名的应用之一是北京“水立方”的外墙材料，这是全球集中使用面积最大的实例。而在早期研究阶段，它主要用于高温条件下火箭发射装置的内壁涂层。

国家游泳中心的“水立方”（图片来源：新华社）

今生篇---氟化学重塑现代文明

全球范围内，约30%的畅销药物中含有氟原子，其中抗抑郁药氟西汀（即“百忧解”）的年销售额曾突破25亿美元。此外，在医学成像领域，一些患者在接受PET-CT检查时需要使用18F-FDG（氟代脱氧葡萄糖）作为显影剂。而在人们日常使用的电子设备中，如手机、电脑等，其显示屏普遍依赖含氟液晶材料的支撑。在国防领域，含氟材料同样具有广泛应用，例如航空航天领域常用的陀螺油、高低温润滑油等都不可或缺。此外，在诸如原子弹等尖端国防领域所需的关键材料中，含氟材料也占据着重要地位。尽管含氟材料的实用价值如此重要，但令人惊讶的是，目前对人类社会有益的含氟物质几乎都是由人类通过自身的智慧和技术合成得到的。自然界虽然存在大量无机氟化物（如氟化钙），但对人类社会有重要贡献的、含碳-氟（C-F）键的有机氟化物却极为罕见。

解析氟化学反应的内在规律并高效合成含氟有机分子，已成为全球化学界竞相攻克的战略性研究课题。经过十余年的系统性研究，我国科研团队在该领域取得了突破性进展，创新性地提出了“负氟效应”理论。该理论指出，氟原子对碳负离子中心的取代个数越多，碳负离子对许多亲电底物的亲核反应活性往往会随之降低。这一重要观点不仅获得国际学术界的高度认可，还被收录于经典教材《中级有机化学》（第三版），充分表明我国在氟化学基础理论研究领域已跻身国际前沿。

基于该理论模型，我国研究团队成功研发了3类共计10余种新型氟化学合成试剂，包括砜试剂系列、亚砜亚胺试剂系列以及二氟卡宾试剂等。这些以“负氟效应”调控机制为核心设计的试剂，有效解决了一氟甲基化、二氟甲基化、二氟及一氟烯基化以及二氟卡宾化学等系列化学问题。截至目前，这些试剂已被超过250家企业或研究机构累计使用528余次。

未来挑战---被氟锁定的地球

全氟和多氟烷基化合物（PFAS）可通过污染的空气、饮用水和食物链进入人体，并与血清蛋白结合，经血液运输至肝脏、肾脏等组织器官。由于其生物代谢速率极低，半衰期长达3-5年，PFAS一旦进入人体即会长期蓄积，对生殖、神经、内分泌和呼吸系统等造成损害。

氟主要侵犯骨组织，引起氟斑牙和氟骨症，这是地方性氟中毒的特征性损害。氟斑牙，又称斑釉症，表现为牙齿釉面出现白垩色条纹或斑块，或呈黄棕色至棕黑色着色，严重时因釉质缺损而出现凹坑。氟斑牙一旦发生，终生不可逆转，轻者影响外观和美观，重者影响咀嚼和消化功能。

预防和控制地方性氟中毒的根本措施是控制氟源，减少氟摄入量。针对饮水中氟含量过高引起的饮水型氟中毒，可采取更换水源或饮水除氟等措施降低饮水中的氟含量。