舊鍋涂層搖身一變成制藥原料？科學家破解特氟龍回收難題

人們經常使用的不粘鍋涂層、雨衣還有防水手機殼里的一種特殊塑料，即俗稱特氟龍的聚四氟乙烯，是一種超級頑固的塑料，不怕酸堿、不怕高溫，連大自然都很難分解。以前，處理它要么是埋在地下千年不腐，要么是高溫焚燒持續產生有毒氣體。

圖｜陸而立（來源：陸而立）

但是，英國伯明翰大學教授陸而立和團隊僅僅使用一種生活中常見的金屬鈉，再加上一臺像瘋狂搖搖杯的球磨機，在室溫下就能把這種頑固塑料拆解。拆解后得到的不是有害垃圾，而是兩種非常有用的東西：一種是制作牙膏預防蛀牙的原料氟化鈉，一種是純凈的碳粉。

這些剛拆下來的氟化鈉無需提純，直接在球磨機里搖身一變，就能成為制造高級藥品和新興材料的關鍵原料，這一成果為處理全球每年數十萬噸的特氟龍垃圾，打開了一扇充滿希望的大門。

“氟化鈉是含氟牙膏中防蛀的成分；活性炭可用于洗面奶、面膜，或作為電池材料、吸附材料等。我們這里實際上將廢棄的特氟龍變成了兩種不僅無害而且有用的物質：氟化鈉和活性炭。

這個過程的原子經濟性接近 100%，相比之前的方法有顯著提高。我們的反應條件溫和，室溫下 30 分鐘到 1 小時即可完成，所使用的原料金屬鈉簡單易得且便宜。”陸而立告訴 DeepTech。

頑固分子特氟龍：為何如此特別和麻煩？

如前所述，特氟龍的真名叫做聚四氟乙烯，其分子結構就像是無數個碳原子手拉手排成一長串，而每個碳原子的另外兩只手，都緊緊地牽著氟原子。

（來源：ACS Publications）

氟原子和碳原子的結合異常牢固，能夠形成非常強大的化學鍵。正是這層牢固的氟盔甲，讓特氟龍擁有了驚人的本領。它是不粘鍋的秘訣，油、水和食物都很難粘在它的表面。它是化學界的絕緣體，濃酸和強堿都拿它沒辦法。它也是耐熱小能手，短時間內可以承受接近 400℃ 的高溫。

這些優點讓它無處不在，從廚房到實驗室，從醫療設備到航天科技。但是，當產品壽命結束時，這身氟盔甲就成了大麻煩。

埋在土里幾百年都不會自然分解。用火焚燒需要極高的溫度，還有可能產生毒性強、在環境中長期存在的永久性化學品，危害環境和健康。所以科學家們一直在尋找能夠溫和地拆掉這身氟盔甲，同時又讓寶貴的氟原子不至于被浪費的方法。

傳統的拆解方法就像用大錘砸核桃，需要超高溫度或超強腐蝕劑，不僅耗能而且非常危險。本次團隊則使用了一個四兩撥千斤的方法——機械化學。

機械化學反應好比是一個超高強度的搖搖杯，在化學領域叫做球磨機。在這個不銹鋼罐里，放入需要反應的固體原料，再加上幾個堅硬的鋼球。當機器高速振動的時候，鋼球就像無數個小錘子，以巨大的能量撞擊、擠壓、研磨罐內的固體。這種劇烈的機械力，可以直接在固體顆粒接觸的微小界面上引發化學反應，根本不需要溶劑。

研究人員將特氟龍粉末和切成小塊的金屬鈉一起放進搖搖杯。鈉金屬非常活潑，喜歡送出電子。在鋼球瘋狂的撞擊下，特氟龍和鈉被緊緊地壓在一起，粉末瞬間完成混合。

這時奇特的現象發生了：鈉原子將多余的電子送給特氟龍。特氟龍碳鏈上那些緊抓不放的氟原子，一接收到電子，與碳的牽手就被削弱了。于是，氟原子紛紛松手，轉而與鈉結合，借此形成了穩定的白色晶體——氟化鈉。

而失去了氟鎧甲的碳原子長鏈，則在撞擊中斷裂、重組，最終變成了一種疏松的黑色碳粉。整個過程在室溫下進行，只需要 1 小時就能以 98% 的超高效率將特氟龍完全轉化。最關鍵的是，這個反應非常干凈，幾乎不會產生有毒中間體，最終產物只有有用的氟化鈉和惰性的碳粉。

從垃圾到寶藏：氟原子的即時升級回收

盡管已經把有害的塑料垃圾變成了無害甚至有用的無機鹽。但是，該團隊想得更遠，既然可以制造出純凈的氟化鈉，那么為什么不直接來用它制造更值錢的東西呢？

氟原子在高端制造業中是一個香餑餑，尤其是在制藥行業。許多現代藥物分子中引入一個氟原子，就像給分子裝上了特效模塊，能夠大大提高藥效，增強穩定性或者幫助人體吸收。

（來源：ACS Publications）

于是，研究人員使用一鍋法手段，沒有把生成的氟化鈉分離出來，而是直接往那個裝著氟化鈉和碳粉混合物的球磨罐里，加入了磺酰氯或酰氯，它們是制造許多藥物和材料的中間體。同時，還加入了四乙基氯化銨和對甲苯磺酸這些催化劑。

這時，再次啟動搖搖杯。在撞擊中，氟化鈉被活化之后，氟離子跑出來，迅速攻擊新加入的分子，將其中的氟原子替換掉，從而高效地合成了兩類高價值的含氟精細化學品。

第一種是磺酰氟，它也被稱為是點擊化學中的明星分子，可以精準、快速地將不同功能模塊連接起來，是研發新藥和生物探針的利器。

第二種是酰氟，它是有機合成中非常重要、非常活潑的中間體，可被用來構建更加復雜的分子結構。

通過這種方式，廢舊特氟龍中的氟原子，從頑固垃圾的組成部分，直接升級回收成為了制藥和材料科學中的寶貴原料。研究團隊使用這個方法成功合成了十幾種不同的含氟分子，產率很高，證明了這條路的可行性與普適性。

陸而立表示：“我們首次將豐度高的金屬元素鈉用于此過程，并且首次實現了聚四氟乙烯接近 100% 原子經濟性的回收與再利用。特別要指出的是，我們并未簡單停留在得到氟化鈉這一步。我們發現，反應完成后得到的氟化鈉和活性炭混合物，無需分離純化，可以直接用來合成高價值的含氟有機小分子。這些有機小分子可作為藥物合成的砌塊。”

因此，他和合作者不僅實現了聚四氟乙烯的高效降解，更實現了其價值的升級，將一個廢棄的特氟龍塑料變成了高價值的含氟有機小分子。“我認為這是一件非常酷的事情，因為我們的化學原理很簡單，體系也非常簡單。我相信具備基本化學素養的高中生或大學一年級學生就能理解。這正是我們化學的優美之處。”他說道。

談及應用前景，陸而立表示：“這里舉兩個簡單例子。一是光纖通信領域：光纖表面通常有聚四氟乙烯涂層。由于其對環境的潛在危害及難降解性，特別是在歐洲，光纖制造商需要回收其出售的光纖，并去除表面的聚四氟乙烯涂層才能回收。

我們正在與一家荷蘭廠商研究，是否能用我們的方法處理光纖表面的聚四氟乙烯涂層，將其轉化為二氧化硅（玻璃）粉末、氟化鈉和活性炭。二是廚房用具表面的特氟龍涂層。我們也在探索能否將這種方法應用于廚房用品表面涂層的降解與再利用。”

（來源：ACS Publications）

對于未來計劃，他說道：“我們有兩個主要方向。第一，含氟的永久化學污染物不只有聚四氟乙烯，還有很多其他類型，如全氟烷基酸等。我們正在探索能否將這套方法應用于含氟有機小分子污染物的處理。第二，就是如何將這項技術真正推向產業化應用，這也是我們正與產業界合作探索的方向。”

他補充稱：“論文發表后，我們已在歐洲與多個初創孵化器（大概五六個）以及一些大型企業進行了探討。目前我們在探討是以初創公司的形式，還是以專利授權或合作研究的方式去推進產業化。

就目前情況看，我們可能不急于設立初創公司，而是會與一些已有深厚行業經驗的合作伙伴，通過知識產權授權或合作研究的方式來推動產業化。”

最后，他提醒道：在此次體系中，反應的確需要在氮氣或氬氣保護下進行。但即使在空氣中操作，我們也嘗試過，只是需要更長時間和稍多一點的鈉（例如 1.2 當量），并不會發生不可控的燃燒或爆炸等危險反應。

“工業界對此也有顧慮，我在此澄清一下，以防有讀者嘗試重復此實驗。雖然在空氣中可以進行，但仍需注意安全，最好在專業人士指導下或保護氣氛中進行。”他表示。

參考資料：

相關論文 https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/jacs.5c14052&ref=pdf

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