化學元素氟，“兇”名赫赫，卻有不世之功。
氟元素的單質是一種劇毒氣體，腐蝕性強，且有些氟化工原料如四氟乙烯性質又極為活潑。
有機氟化物卻有它溫和而獨特的一面：與其他有機化合物一樣穩(wěn)定，能大大提高醫(yī)藥、農藥分子的生化、物化性質。我們熟知的牙膏、制冷劑、不粘鍋涂層，以及航天器密封材料和一些新型藥物，都有氟的身影。
不過這些有用的有機含氟物質，得靠人類自己造。正因為合成有機氟化學研究太有用了，科學家也愿為之“赴湯蹈火”。
在中國，有機氟化學研究可謂獨樹一幟。
2012年，全球化學化工領域最有影響力的新聞雜志《化學與工程新聞》列出由各國化學界開發(fā)，并受全球醫(yī)藥、農藥界關注的9個金屬參與的氟化學反應。其中3個來自同一家單位——中國科學院上海有機化學研究所（以下簡稱上海有機所）。
國外同行稱呼他們?yōu)椤吧虾７薄?/p>
1 三天三夜大討論
1956年，新中國面臨嚴峻的國際形勢，黨中央高瞻遠矚，發(fā)出了“向科學進軍”的號召，將原子彈、氫彈等的發(fā)展放在重要位置，集中力量開展技術攻關。
擺在上海有機所面前的任務，是高能燃料的研制與原料鈾的分離。1958年，時任上海有機所副所長邊伯明組織了所內多名骨干，在上海市長寧區(qū)長寧路865號大院里，圍繞業(yè)務方向調整展開了一場大討論。
討論持續(xù)了三天三夜。大家各抒己見，達成了一個共識：以國家利益為重，將科研方向轉到“尖端、領先的科學項目，通過任務帶學科”。
已在金霉素提取、合成研究方面頗有建樹的黃耀曾，剛從美國哈佛大學學成歸來。他與在甾體化學領域深耕多年的黃維垣，以及劉鑄晉、袁承業(yè)、丁宏勛等學者，紛紛“割愛”，將研究方向轉向國家需要之處。
黃耀曾放棄金霉素全合成研究時，形容自己的感受是“像失去了一個兒子”，但心痛之余，他的決心更加堅定。
“兩彈一星”工程正式拉開序幕。制造核武器的門檻在于濃縮鈾的獲取，而鈾濃縮分離機的安全運轉，離不開一種特殊的含氟潤滑油。20世紀60年代，蘇聯專家撤走時不僅帶走了一切關鍵資料和材料，也擦干了滴在工廠地面上的每一滴油。
這種潤滑油的成分是什么？該如何制備？當時中國科學家只知道它可能是一種有機氟化合物。1960年11月，國家將研制潤滑油的任務下達至上海有機所。
為何是上海有機所？因為在20世紀50年代，黃耀曾和戴行義等人曾在電解制備元素氟和聚四氟乙烯方面進行過探索，打下了科研基礎。上海有機所氟化學的研究歷史，亦可溯源于此。
為了獲取潤滑油的樣本，科學家將之前黏附在工廠分離機上的薄薄油膜，刮了一點放入小瓶內，由警衛(wèi)員護送至上海有機所。
黃維垣被任命為該任務負責人，并擔任第九研究室（后稱氟化學實驗室）主任?；衔锏慕馕鍪屈S維垣的強項，拿到樣品后，他利用所里唯一 一臺紅外光譜測試儀展開工作。通過光譜圖，他推測出這種油是全氟的含碳化合物，即全氟烴油。
緊接著，黃維垣和上百位科研人員，在所里一塊空地上搭起棚子，自制裝置搞實驗，僅用一年時間就解決了原料油品種、氟化試劑、氟化反應條件、后處理方法四大問題，成功研制出完全符合技術指標的產品，并順利實現中試和生產。
1964年，中國第一顆原子彈爆炸成功。上海有機所3位領導汪猷、黃耀曾、陳子云去北京開會時，第二機械工業(yè)部副部長錢三強熱情地擁抱了他們：“有機所幫大忙啦，原子彈比原計劃提前了一年！”
2 向氟化學研究進軍
實驗室的成果能夠順利轉化為生產力，得益于一個重要條件：上海有機所擁有自己的實驗場地。1958年，上海市政府將位于真北路的葡萄糖廠劃給上海有機所，將其改造為中試基地。廠內后續(xù)又建起年產1000千克的試生產車間，最終生產出了“中國造”氟油。
同一時期，上海還有一家特種橡膠研究所，專門進行有機氟材料的研制和開發(fā)工作。位于北京的中國科學院化學研究所（以下簡稱化學所）做氟化學研究的人員，經常在這里拿實驗原料。
考慮到上海既有氟化學研究基礎，也有工業(yè)條件，1963年，中國科學院決定在上海集中研究力量。那年7月，化學所氟化學實驗室部分人員南遷至上海。一行人中有為“兩彈一星”研制出氟橡膠的蔣錫夔和陳慶云，兩位先生后續(xù)都當選為中國科學院院士。
“不僅人要去，儀器也要去?！标悜c云回憶，當時帶上車的有“稀有”的色譜，還有最簡單的高溫爐。這樣做，只為免去“另起爐灶”的麻煩，以便更快地投入工作。
不斷壯大的氟化學研究力量，繼續(xù)為既定目標而努力。例如黃維垣、蔣錫夔等帶領的課題組開始探索多種氟化反應和聚合反應，研制出的含氟有機材料滿足了國家需求。
到了20世紀70年代后期，為促進國民經濟發(fā)展，上海有機所氟化學研究開始瞄準民用產品，鉻霧抑制劑就是一個典型例子。
當時，輕工業(yè)中自行車、縫紉機等生產企業(yè)迅速發(fā)展，電鍍需求不斷提高。電鍍技術中最常用的是鍍鉻，目的是讓器械的金屬表面耐磨、防腐蝕。
但電鍍時會形成一種強氧化性的劇毒鉻霧。陳慶云曾去過上海電鍍廠廠房，里面彌漫著黃色的鉻霧，味道非常嗆鼻。長期待在這樣的環(huán)境里，鼻子出血、咳嗽尚屬“輕癥”，嚴重的可能致癌。
1975年，陳慶云開始帶領小組研究解決這一問題。他通過查閱資料發(fā)現，美國3M公司已經發(fā)明了一種全氟磺酸鹽，用于抑制鉻霧。但他想換個思路試試，于是和組里成員一起確定了5條技術路線。最終有一條路線取得成功，合成出一類含醚鍵的全氟磺酸鹽。
由此研制出的新型鉻霧劑與美國的產品相比，結構上只是多了一個氧原子，但實際合成路徑卻有很大區(qū)別，不僅工藝更為簡單，原料成本也大幅降低。
陳慶云將該產品命名為F-53?！癋”指“氟”，數字“53”是因為抑制效果最好的那次樣品分析記錄剛好在實驗本第53頁。F-53在全國迅速試制和推廣，不僅保障了電鍍工人的健康，也為節(jié)能環(huán)保作出了重大貢獻。
1982年，當陳慶云再次走進上海電鍍廠時，車間變明亮了，刺鼻氣味也消失了。加入F-53的電鍍槽，浮起一層微小的泡沫，像一層薄薄的絨毯“蓋”住了黃色的鉻霧微粒。
值得一提的是，F-53鉻霧抑制劑是中國使用的氟化工產品中第一個自主創(chuàng)新的產品。
3 “上海氟”蜚聲海外
鉻霧抑制劑F-53研制出來后，陳慶云和團隊并沒有將它擱置一邊，而是從基礎研究的角度，回頭細究其結構、反應機理，想搞清楚“所以然”。
在對中間體關鍵原料四氟乙烷-β-磺內酯展開深入探究后，團隊發(fā)現磺內酯和其他化合物反應可以衍生出各種氧雜的多氟磺酸類化合物，為二氟卡賓（試劑）、三氟甲基化（反應）的研究打下基礎。
同時，上海有機所各個氟化學課題組針對F-53生產過程中的原料、中間體、產物和副產物，進行了一系列基礎研究，形成3個鮮明的研究體系——黃維垣的“亞磺化脫鹵反應”、陳慶云的“金屬及過渡金屬引發(fā)的有機氟化學反應”，以及胡昌明的“氧化還原體系引發(fā)下氟鹵烴的化學研究”。
20世紀80年代，上海有機所的氟化學基礎研究厚積薄發(fā)，成果不斷涌現，實現了“以任務帶學科”。
上海有機所研究員劉金濤曾在一篇追溯中國氟化學研究歷程的文章中寫到，據國際《氟化學雜志》1997年的統(tǒng)計數據，我國在國際雜志上發(fā)表的論文中，關于氟化學的論文占比為1.86%，居世界各國之首。
中國科學院上海分院院長、上海有機所研究員胡金波提到了另一個數據。2005年他學成回國后，大致統(tǒng)計了國內發(fā)表的氟化學研究論文數量，巔峰時期，發(fā)自上海有機所的文章約占75%。
成果頻出的這些年來，上海有機所氟化學研究者們也在積極“走出去”——創(chuàng)辦英文期刊、參加國際學術會議。整個過程中，黃維垣是一個關鍵人物。
1977年，黃維垣作為中國科學院代表團成員之一，第一次參加美國化學年會，也是第一次站在主講臺上向國外同行介紹中國自主研制的F-53鉻霧抑制劑。
之后，這樣的“第一次”還有很多，他還逐步將國際交流平臺“引進來”——2005年，國際氟化學會議首次于上海召開。因在氟化學研究領域作出的杰出貢獻，1986年于法國巴黎舉辦的氟元素發(fā)現100周年紀念會上，黃維垣被授予國際氟化學界最高獎“MOISSAN”獎章。
隨著上海氟化學成果文章屢屢見刊，以及國際有機化學學術會議名冊上的中國學者越來越多，一個關于上海氟化學的名號被逐漸叫響。
上海有機所研究員肖吉昌記得，陳慶云曾提過和黃維垣去美國開會的一件趣事。當時他倆剛走出機場大廳，就聽前來接待的人朝他們喊了一句：“Shanghai Fluorine（上海氟）！”兩位老先生感到些許詫異，之后便哈哈大笑起來。
4 堅持做別人不敢做的
“上海氟”名聲背后，是一群人堅持做了很多人“不敢做”的事。
因氟元素的特性，少有人愿“涉險”研究。胡金波的左手留有一道傷痕：早期做實驗時不慎發(fā)生爆炸，碎玻璃擊中左手，切斷了中指韌帶?！斑@項研究是有門檻的，對相關人員的專業(yè)技能和安全素質都有要求?！?/p>
在條件和設施有限的年代，氟化學研究面臨的風險更高。20世紀60年代，陳慶云和助手陳秉啟利用全氟異丁烯，首次制得全氟叔丁基碘。全氟叔丁基碘有強烈刺激性，且容易變成氣體被人體吸收，其原料全氟異丁烯又是氟化學中毒性強的小分子之一。在一次制備過程中，陳秉啟中毒倒地，一時動彈不得。他心里默默為自己鼓勁，最后靠著意志強撐著站起來。
“回憶錄里，這位先生寫到，參與如此重要的工作實感榮幸，哪怕中毒也不算什么?！鼻拜吷砩狭髀冻龅膱皂g不拔的精神，讓胡金波深受觸動。
因為毒性太強，相關研究還是被擱置了。但時隔50余年后，胡金波率團隊研發(fā)出一種高效、快速合成全氟叔丁基類化合物的方法，避免了有毒氣體的使用。當已90歲高齡的陳慶云在網上看到相關文獻時，不禁好奇地詢問晚輩：“這不是有毒嗎，你們怎么做到的？”
“這是一種傳承?！眳⑴c此項工作的朱凱帝道出了新一代科研者的心聲：上海有機所氟化學研究歷史底蘊深厚，老一輩傳授知識和方法的同時，也留下了教訓和問題交予后代深究。而這何嘗不是一種財富和優(yōu)勢？
自20世紀50年代以來，研究團隊一直保留著黃維垣從哈佛大學帶回的一種考試制度：定期對研究生進行積累測試，督促學生保持查閱文獻、追蹤最新科研進展的習慣?！斑@已刻在我們發(fā)展的‘基因’里，是‘根’之所在。”朱凱帝說。
經過多年積淀，2002年，中國科學院有機氟化學重點實驗室在上海成立。該實驗室匯聚了老中青三代研究力量，心無旁騖地開展氟攻關。
肖吉昌說，這是目前世界上唯一 一個以氟元素命名的實驗室。“118種化學元素里，我們選擇這一種展開長期和系統(tǒng)的研究。”
5 國家需求是不變的目標
進入歷史發(fā)展新階段，上海有機所氟化學研究工作的方向則更為鮮明：堅持世界學科前沿和國家戰(zhàn)略需求并重、基礎研究和應用基礎研究并舉，產學研相結合，為我國氟化工產業(yè)提供科學和技術支持。
研究者們繼續(xù)圍繞國家需求，敢作敢為。2021年，上海有機所研究員沈其龍接到一個合作項目——研制一種應用于光學領域的無定形含氟聚合物材料，要求有極高的透光性。該原材料對中國禁運，相關產品嚴重依賴進口。
心里沒底的沈其龍還是一口應下：“有難度，但不怕，大膽做就是！”他隨即帶領團隊花一年半時間攻克了精準合成、提純單體等難題，并在合成中巧妙應用了研究室前輩開發(fā)的方法，實現了公斤級產量。
類似例子還有很多。中國科學院院士卿鳳翎團隊攻關研制出用于航空航天等領域的耐低溫偏氟醚橡膠和液體全氟聚醚橡膠；肖吉昌探索實現了從含氟無機鹽到高純含氟熔鹽噸級規(guī)模制備，解決了核反應堆和太陽能電站的導熱材料問題……
同時，他們潛心開展基礎研究，不趕時髦、不追熱門。2005年，胡金波沿著別人不看好的方向進行鉆研，首次提出親核氟烷基化反應中的“負氟效應”概念。
此外，沈其龍從價廉易得的糖精出發(fā)設計合成“沈試劑”，被應用于發(fā)展三氟甲硫基化反應；張新剛發(fā)現首例金屬二氟卡賓參與的催化偶聯反應，為發(fā)現用于農藥、醫(yī)藥等領域的含氟生物活性分子提供了新機遇……
他們認為，如今的基礎研究相當于科技儲備。盡管短期內沒有回報，但正是基于突破性的基礎理論，構建了新結構、新反應和新試劑，才有可能創(chuàng)制出具有獨特結構和功能的含氟物質，發(fā)展更多高性能有機氟材料，從而服務國家，造福社會。
新形勢，有新布局。
先進氟氮材料是國家戰(zhàn)略有機材料中不可替代的尖端材料。2021年，先進氟氮材料重點實驗室（中國科學院）成立?！拔覀儗⒒诜⒌氐臉O端特性，開展原始創(chuàng)新研究，發(fā)展先進氟氮材料的源頭技術，為我國特種材料領域相關技術的升級換代奠定科學基礎和提供技術保障?！鼻澍P翎說。
1959年6月24日，邊伯明在《人民日報》發(fā)表署名文章《以任務帶動學科》，強調了科學研究與實際生產、國家需求結合的重要性和意義。文章如今陳列于上海有機所的科學家精神教育基地，這樣的時代強音，始終擲地有聲。
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