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“不氟不行”胡金波:从基础理论创新到科研新路开拓

来源:上海科协      2023-06-01
导读:中科院上海有机所研究员、中科院上海分院院长胡金波的科研生涯与氟化学相伴。这种性质活泼却又作用巨大的元素,既给他带来了因爆炸而切断手指韧带的苦痛,又让他体验到科学探索的快乐和学以致用的成就。 从异常而难解的现象中寻找研究的方向,在一次次失败和偶然一次成功中发现真理的痕迹,胡金波不走寻常路,首次提出了“负氟效应”新概念,被国内外同行认可,并被写入《中级有机化学》教科书。 以新理论为基础,胡金波研发出三类10多种新型氟化学合成试剂,被250多家公司或研究机构使用超过528次,其中两个试剂更被国内外同行直接称为“胡试剂”,同时还成为氟碳链可控延长研究方向的先驱者。
慧眼识“珠”,精耕细作




第一次与氟相遇,已经是胡金波赴美攻读博士学位之时。导师让他开展几种特殊结构的含氟分子创制的研究。

没想到的是,第一年的研究中,含氟化合物就给胡金波来了个下马威。“氟的理化性质非常独特,刚开始我也不太懂。”他举起自己的手掌指了指,说,“当时我的实验发生了一次爆炸,碎玻璃击中我的手,把左手中指的韧带给切断了。”



由此胡金波对氟有了更加深刻而辩证的理解:“有些含氟原料特别活泼,发生化学反应时能释放出大量的能量,如果控制不好则会发生爆炸。而经历了化学反应,释放掉大量能量之后的含氟产物,如同脱胎换骨一样变得非常稳定。”




导师原本想把这个来自中国的学生调换到理论计算研究,但胡金波却坚持要继续氟化学实验方面的研究,并由此开启了在氟化学领域的耕耘之路。起步之时,他借着近水楼台的便利,从导师那里把有关氟化学研究的书籍和资料一册册借出来,研究了个底朝天。

“我从小就喜欢历史,也喜欢在图书馆看书。”胡金波说,了解一个学科的发展历史,就能够站在一个更高的层面审视学科发展中蕴藏的待解之谜,“化学研究就像是破案,里面有好多线索需要厘清楚。有些人一看就能看到很尖锐地指出问题,有些人看半天就看不出个所以然。”胡金波常常随身带着一本笔记本,看到异常的地方就会记录下来。

摸透氟化学的历史和研究细节,就像是不停转动着念珠,总有一两个特殊的实验现象以及背后蕴藏的未解之谜,会被打磨得越来越亮。胡金波就把目光锁定在其中一颗闪闪发光的“明珠”上——“含氟碳负离子参与的亲核氟烷基化反应”。在他眼里,这个反应总是怪怪的,反应结果不可预料。2005年,当他回国加入中科院上海有机所之后,就聚焦在这个科学问题上。


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其实,已经有国外科学家提出,对烷基亚胺的亲核三氟甲基化反应的效率很差,原因是反应环境中碱性太大导致的。但胡金波的一位研究生在开展对烷基亚胺的亲核二氟甲基化反应时,意外发现反应即使在低温下效率也很高,反应时间只需要15分钟,而产率在90%以上,且反应环境的碱性甚至更高。这让胡金波意识到,原来国外同行的解释存在缺陷。

从2005年到2006年,胡金波与团队成员一道,坚持深耕细作,在进一步研究了对环氧烷的氟烷基化反应之后,最终提出了一个全新的科学观点——“负氟效应”,即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。

基于对这一规律的认识,胡金波带领团队系统研究了调控负氟效应的多种策略,并在这一过程中发展了一系列新的氟烷基化反应和氟烯基化反应。这些突破性的创新工作让胡金波在2009年成为首位获得英国皇家化学会氟化学奖的华人科学家。

另辟蹊径,勇于先驱




有国外同行教授曾经对胡金波说:“我发现你在氟化学研究方面常有与别人不一样的研究方向和结果,让我好奇你是怎么思考问题的。”胡金波认为,这与导师常常教导自己“不要去追逐热门的方向”有很大的关系。“导师告诉我们,哪个领域长时间不容易突破,恰恰有很高的科研价值。”他说,不要把时间花在那些内卷的热门领域,而要在“如果你不去做,别人也没想到去做,或者想做也做不出来”的领域不断钻研。

在开拓了负氟效应的科学新路之后,胡金波主导研发了一批新型氟化学合成试剂的开发,包括砜试剂系列、亚砜亚胺试剂系列、二氟卡宾试剂等。这些基于负氟效应调控的试剂,解决了一氟甲基化和二氟甲基化、二氟和一氟烯基化、二氟卡宾化学等问题。截至目前,试剂已被全球超过250家公司和研究单位使用528次。其中,二氟甲基2-吡啶基砜和二氟甲基苯基亚砜亚胺试剂两个试剂更是被国内外同行称为“胡试剂”。

也正是由于胡金波“发展了多个氟化学合成试剂和反应,并把氟烷基化、氟烯基化、氟化等三大类反应建立内在联系”,他被授予了2022年度美国化学会氟化学创造性工作奖,成为该奖项设立50年来的首位华人获奖者。

而在胡金波所有科研工作中,实现氟碳链可控延长,是少有的一个带有感情的工作。事情缘起于一个悲剧:胡金波的一位宁波同乡好友,也是氟化学领域的优秀科学家,16年前在使用四氟乙烯调聚方法实现氟碳链延长时,由于半夜里反应釜发生爆炸而当场罹难。

这件事给了胡金波很大的触动,“我一直认为用四氟乙烯的方法去延长氟碳链,不仅不安全,还难以控制添加的长度,从几个到几十个碳原子,有时甚至高达几万个碳原子组成的氟碳链分子都会有。”他下定决心要找到一个既安全又可控的方法,经过查询发现当时还缺乏可靠的办法,这也给了胡金波另辟蹊径的机会。


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从2006年开始琢磨,一直到2017年,胡金波才有了突破,实现了由碘化钠催化的三氟甲基三甲基硅烷中一个碳变成两个碳相连,从而生成四氟乙烯的反应。该反应被美国《化学与工程新闻》评价为“一个制备四氟乙烯的突破性方法”。

随后,他又实现了铜促进的氟碳链从一个碳变成两个碳和从一个碳到三个碳的延长。这种氟碳链延长的办法,将原有的爆炸隐患一扫而空,还可以按照科研人员意愿的可控延长。2020年,一位意大利化学家来信,兴奋地称胡金波是该研究方向的先驱者。

胡金波常说,科技创新首先要练好自己的科研“内功”,再把“内功”用到经济社会发展中。以突破性的科学理论为基础,加上由此构建的新型试剂和反应体系,让他有底气为国家重大需求和经济社会发展,发展更多新型含氟功能分子。

欢迎质疑,重视意外




在胡金波的手机里,有一个“不氟不行”微信群,这是他和学生们共同的网上家园。对于学生的培养,胡金波同样与众不同。





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“我一直希望学生们能够与我争论,能指出我们团队在研究中的失误,甚至推翻我的观点。”胡金波笑着说,这意味着这样的学生不仅一直在积极思考着,拥有质疑精神,而且能自己进行创新,能推动科学认知的进步。据说,曾经有学生兴奋地向胡金波“证明”,负氟效应有不对的地方,然而最终发现是其它实验因素产生的表观错觉,直到今天负氟效应依然还被大家认可和采用。





在评价学生时,胡金波不会因为课题论文发表在影响因子高的期刊上而给予高的评价,而是有自己的一套独立判断标准。“我给学生的研究课题分为两种,一种是‘做作业’,另一种是探索性研究。”胡金波说,“‘做作业’类的研究课题是已具备研究基础,我事先就知道这个课题能够做得出来,只是让刚进组的同学去练练手,用以训练基本的研究技能。而探索性研究才是我真正感兴趣的研究课题,这类课题具有不确定性和冒险性,需要学生和我一起共同努力,去坚韧地探索和尝试,直至最终取得成功。

胡金波认为学生们在大量的探索性研究过程中,尽管会遭遇很多失败,但常常会有意想不到的发现,而这些意外发现非常重要,甚至可能比原来的研究课题更有价值。“如果一个研究生在4-5年的研究生涯中一个意外也没发现,那非常有可能是学生在研究方面还不够专注和投入。”他说,实验中经常会遇到意外,关键看你能不能抓住。对于有抱负的研究人员,“要做大胆的、有雄心的、有冒险性的,但在创新性方面有很大潜力的研究工作。宁要光荣的失败,也不要平庸的成功。”

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