氟化學在冶金工業、鋰離子電池、電子產品、氟聚合物、冷媒、農藥和藥品等領域皆有廣泛的應用,而所有的含氟原子化學品 (親核性、親電性和自由基試劑) 均由氫氟酸 (HF) 製備而成,氫氟酸又是由天然瑩石 (Fluorspar,主要組成成份為CaF2) 與硫酸反應生成,並加以液化儲存於水溶液中。氫氟酸是一種劇毒且具有腐蝕性的氣體,因此在使用及生成上必須極度小心,儘管化學工廠有嚴格的安全指南,但還是非常容易發生氫氟酸洩漏,這會導致致命的事故,並對環境造成嚴重的影響。除了上述的安全問題之外,以瑩石與硫酸合成氫氟酸的方法非常耗費能源,因為瑩石中CaF2的化學鍵極強,需要長時間維持高溫才能破壞鍵結,使其與硫酸反應。為了找出既安全又節能的合成含氟化學品的方法,化學家們正在尋找不需要生成氫氟酸的方式,那他們有辦法找到嗎?
近日,英國劍橋大學的研究團隊成功找到了以不生成氫氟酸的方式製造含氟化學品的方法,該團隊運用的策略是利用磷酸根離子將氟離子從CaF2置換出來。磷酸鈣的晶格能 (3534 kJ/mol) 高於 CaF2 (2640 kJ/mol),所以在熱力學上,置換離子的策略是可行的。研究人員曾試過在溶液相進行置換反應,但不可行,於是改用球磨機進行固態相反應,也就是將固態的CaF2與磷酸鉀放入球磨機研磨,最後成功得到了一種可作為親核氟源的固體物質。研究人員將該固體物質稱為 Fluoromix試劑,它可以透過鹵素交換的方式將氟原子接到有機分子上,該團隊甚至用Fluoromix試劑來製造數種具有S-F和C-F鍵的分子,包括PyFluor等脫氧氟化 (Deoxyfluorination) 試劑、氟化生物活性分子和芳基氟化物。為了更瞭解Fluoromix試劑的組成與結構,該團隊利用粉末X射線繞射 (Powder X-ray diffraction) 得知了Fluoromix試劑其實是由K3(HPO4)F及K2−xCay(PO3F)a(PO4)b所組成,而兩者皆能作為親核氟源試劑。