臭氧層破壞者難逃厄運科學家發現破壞碳—氟鍵新技術

在氣候變化的戰爭中，人們剛剛得到了一件新的化學武器：一種破壞化合物中碳—氟鍵的方法。日前，國外媒體披露了這一消息，由于碳—氟鍵在污染大氣環境的許多工業氣體中廣泛存在，所以這項新技術有望破解頑固的氟污染。

由碳、氟和氯組成的化合物，稱為氟利昂(CFCs)，又稱為氟氯烴，是氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的總稱。氟利昂作為一種性能優良的冷凍劑，在家用電冰箱和空調機中廣泛使用。隨著環境科學的發展，人們逐漸認識到并越來越關注逃逸到大氣平流層中的氟利昂對臭氧層的破壞作用，并于上世紀90年代要求禁止使用氟利昂。眾所周知，臭氧層是地球生命的保護層，能吸收掉大約5%的太陽輻射高能紫外線，使地球上的生物免遭強紫外線的殺傷。

但是，另一種化合物——碳氟化合物(與氟利昂類似，只是分子中沒有氯)如今仍在生產中被廣泛使用。由于其分子結構中牢固的碳—氟鍵，使得碳氟化合物具有很強的防水性，因此它主要被用于防水服裝和特富龍炊具。另外，得益于它們很高的溶解氧氣的能力，它們成為人造血液中一種重要的基礎組成部分。

盡管碳氟化合物用途廣泛，但是它仍舊是一種破壞力強大的溫室氣體。英國約克大學的Robin Perutz在接受《新科學家》雜志采訪時說：“破壞臭氧層的真正‘元兇’(氟利昂等)已經在很大程度上被除去，但是依然存在的碳氟化合物的的確確在全球變暖方面有著巨大的‘潛力’。”

例如，有一種碳氟化合物，叫四氟甲烷。盡管大氣中存在的四氟甲烷的量要比二氧化碳少很多，但是其溫室氣體效應是二氧化碳的6500倍，四氟甲烷的化學穩定性更足以保證它在大氣中存在5萬年之久。

碳氟化合物的化學惰性同樣使得它們很難被去除干凈。“對于這些頑固的碳—氟鍵，我們基本上無能為力。”馬薩諸塞州布蘭迪斯大學的Oleg Ozerov對《新科學家》表示：“想辦法破壞這些鍵是非常有意思的挑戰。”

2005年，Ozerov的團隊發現可以利用強大的路易斯酸來實現這一目標。路易斯酸中包含的正離子可以吸引碳—氟鍵上的氟負離子。但是，該反應很難持續很長時間，因為酸很容易與其他化合物發生反應而被很快耗盡。

如今，Ozerov和他的同事Christos Douvris發現了一種可以讓該反應持續更長時間的方法。通過他們的方法，一個路易斯酸分子最多可以拆散2700個碳—氟鍵。這意味著在室溫下，只要0.5毫克的路易斯酸就可以在24個小時內將180毫克的碳氟化合物轉化成更安全的形式。

這種方法中所使用的路易斯酸是由加州大學的Christopher Reed領導的團隊發現的。路易斯酸中包括硅的一種活潑形式——有3個鍵并帶1個正電荷，不同于通常的4個鍵的硅。這種活潑的硅就像一個分子炸彈，可以很容易將碳—氟鍵分開。

另一個反應物是三乙基硅烷，它在整個反應中扮演維和部隊的角色，后來加入并負責馴服、整理反應產生的活潑化合物的工作。

反應的第一步就是活潑的硅分子“炸彈”使氟離子從碳—氟鍵上離開，同時產生一個穩定的硅原子與氟離子結合，剩下一個非常活潑的赤裸的碳離子。

碳離子隨后與三乙基硅烷中釋放出的氫離子中和，形成更安全的碳—氫鍵，同時產生一個新的活潑的硅分子，去進攻更多的碳—氟鍵。

Ozerov認為，反應是個“下山”的過程，只需使用極少的能量，而且，最終產物對大氣污染的影響也非常有限。

Perutz雖然沒有參與此項研究，但他對這種新方法印象深刻，他說：“我不得不說，這是一個跨越式的改變，這種方法使反應效率大大提高，在此之前這是很難想象的。”但與此同時，他指出，該方法在千克級的尺度上還未經試驗，而這是投入工業化實踐之前的必須一步。

“不論是對于化學原理的進步還是化學工業的發展，這都是化學界一個重要的發現。”英國圣安德魯大學研究碳氟化合物的專家David O′Hagan對《新科學家》表示：“通過這種方法能夠有選擇性地、高效地去除氟，這是一種意想不到的、有意思的進步，具有顯著的重要性。”

其他一些被提議的用來中和碳氟化合物的方法，主要依靠收集、貯存化合物，而并非將其轉化成更安全的形式。“碳氟化合物可以被有效地永久貯藏起來。”Ozerov說：“如果經濟上可行，相對于貯藏的方法而言，還是將碳氟化合物通過化學轉化的方法來去除更好一些。”