偶然科學發現給未來以更多可能
——螺芴氧雜蒽（SFX）的一鍋法探索發現12周年

文/高妍 鄭聲宇

它曾兩次被有機化學領域的專業評論雜志《Synfacts》積極評價，多次被世界相關領域的科學家引用，后被廣泛采納應用于螺芴類光電材料設計及有機光電子相關領域。

它以簡潔、高效的方式孕育了螺芳烴分子家族，讓位阻型半導體以及未來有機電子學的發展，呈現出更廣闊的可能性。

它憑借低成本、環境友好和原子經濟等優勢，甫一出現，便讓螺芴氧雜蒽（SpiroFluoreneXanthene，SFX）在螺芳烴分子家族中“名聲鵲起”。

它是一種簡單合成螺芳烴的方法，是在酸性條件下C-C與C-X鍵共生的協同規律與真理的化身，發現于偶然獲得SFX的過程中，即SFX的一鍋傅克串聯合成方法，簡稱SFX的一鍋法。

自一鍋法的發現至今12年來， 圍繞SFX及其螺芳烴的相關實踐已經形成了系統化的科研與教學成果，實現了SFX從大學實驗室到企業生產車間的跨越，實現了SFX的商業化，成為中國科學發現與創新的一次有益嘗試。

解令海教授

自偶然始

生活會出現偶然，科研也不例外，特別在科學實驗過程中，偶然總在發生。大多偶然被忽視甚至無視，孰不知必然往往是從抓住某個偶然開始的。SFX的一鍋法，就是那個被南京郵電大學教授解令海抓住的偶然。

2004年，仍在復旦大學先進材料院（IAM）讀博的解令海，在一次合成9,9-二(4-羥苯基)芴酮（FDPO）的實驗過程中，在進行柱層析分離時，偶然觀察到一種極性比芴酮小的副產物，并發現反應時間的延長可以有效獲得這種不同于FDPO的分子。

基于逆性思維的直覺，解令海敏銳地意識到，這次普通的觀察有可能是一次特別的發現與創新，于是開始深入研究這個偶然出現的分子。

在導師黃維院士的指導下，經過核磁共振波譜、氣相色譜—質譜聯用技術、單晶衍射等一系列表征與解析過程，最后證實這個分子是SFX結構。更進一步的，他們給出了形成的合成機理，涉及有機化學芳烴章節中的正離子傅克反應和碳—氧鍵形成的一步三鍵過程。后來，通過不斷優化反應條件、提高產率，確立了這種簡單、高效的“一鍋煮”傅克串聯方法，即SFX的一鍋法。

SFX，即螺芴氧雜蒽，是螺芳烴分子家族的一員。作為一類重要的有機半導體構筑單元，SFX因四面體雜化的碳原子中心而呈現十字交叉的靚麗構型，其獨特的螺共軛特征、空間位阻效應以及熱穩定性，可有效抑制分子間相互作用，提高有機半導體材料與器件的光電性能及其穩定性。

發展到今天，以螺二芴（SBF）衍生物為代表的螺環芳烴已經廣泛應用于有機電致發光二極管（OLEDs）、激光器、染料敏化太陽能電池、場效應晶體管等多個領域。

但不可否認，原料昂貴、合成步驟復雜，是SBF在商業化進程中不得不面臨的難題。因此，簡化SBF合成工藝、降低成本，乃至探索新的替代結構都成為重要研究課題。而一鍋法的發現，就是在這一背景之下有了存在的價值與意義。

一鍋法合成的SFX，不僅具有與SBF相比擬的材料與器件性能，更在成本上具有絕對優勢。SFX一鍋法的發現，讓SFX在有機電子及其相關領域，特別是有機發光器件（OLED）顯示與照明技術領域表現出強有力的競爭力，有希望成為SBF的最佳替代者。特別是SFX在化學品商業化目錄中的價格，明顯低于通過鄰鹵二芳基法合成的SBF，在商業化過程中表現出巨大潛力。

2006年，SFX的低成本一鍋制備方法相關成果發表于有機化學權威雜志《Organic Letters》（有機化學快訊），形成了獨立知識節點。

一經報導，即引起世界范圍相關領域科學家的關注。它得到美國科學院院士、麻省理工學院麥克阿瑟講席教授、德什潘德科技創新中心主任、麻省理工學院化學系前系主任的Timothy M. Swager教授的亮點報道，并引起韓、日等科學家的關注，更被日本科學家給予了人名反應的稱謂，即“黃氏傅克反應”，最近還被《Nature Chemistry》引用。

從這個時候起，那個被抓住的偶然，慢慢在解令海和導師、同事的推動下變成必然。

SFX的分子結構

向必然去

接下來10余年時間，是解令海追逐必然、運用必然的過程。

博士畢業后，解令海跟隨導師黃維院士加入南京郵電大學，協助建設信息材料與納米技術研究院（IAM）/材料科學與工程學院，并以課題組長的身份領導了分子系統與有機器件中心（CMSOD），開展科學研究、人才培養的工作。

在這里，基于一鍋法合成SFX的一系列系統研究與應用工作得以開展，且成果顯著。

他們開展一鍋法的底物拓展，證明其可拓展性與普適化，最終成功實現了從酚類到苯胺類、從芴到雜芴如氮雜物或環戊二噻吩的底物拓展，特別是突破了吸電子底物，實現了氮雜SFX一鍋法的低成本合成。值得一提的是，正是SFX的一鍋法合成的發現，因為其原料廉價、化學原理簡單，讓基礎并不扎實的南郵材料院的研究生能夠容易掌握，從而提升了整個課題組的信心，讓學生感知科學的可重復—可拓展—可傳遞的魅力，也讓以大信息為特色的南郵邁出了化學科學研究的艱難第一步。

他們積極推動面向位阻型有機半導體的SFX平臺構建及其分子設計。他們形成了鍋—原子—步驟經濟（PASE）的綠色有機半導體合成的理念，利用一鍋法與各類綠色反應結合進行環境友好型半導體的研發，比如他們借助環境友好的日光反應與原子經濟的C-H鍵活化反應進行分子修飾，為實現SFX類綠色有機半導體的發展奠定了基礎。

豐富的分子多樣性及其便捷的宏量制備技術使得研究、解析其分子結構與性質關系成為可能，他們積極探討有利于諸如穩定寬帶隙、無定形態、高性能的分子設計原理。他們形成了四元分子原理，即一個分子的電子結構、空間位阻、構象拓撲和非共價鍵四要素結構是統治分子系統上層次行為的全部，并基于該原理開展了SFX類衍生物的結構與相貌、結構與性能的關系研究，為高性能材料與器件的設計打下堅實基礎。

借助一鍋法的低成本優勢，他們在應用于有機電子領域的SFX及其衍生物開發中獲得了多項突破。他們廣泛合作開展了OLED藍光、主體材料、高性能的延遲熒光主客體、激光材料以及鈣鈦礦電池傳輸材料、晶體管存儲器電荷俘獲材料等材料的設計與探索，特別開發出了深藍電致發光材料、電致磷光客體材料、磷光RGB主體材料等具有商業化潛力的OLED材料。

以深藍電致發光材料為例，自2009年起解令海課題組就已經開始有所突破。他們設計出了基于SFX的啞鈴型分子和雙極性啞鈴型分子，并分別以它們為基礎實現了兩款高性能的深藍光器件，性能指標均十分優異。

他們通過自己的努力，一步步向應用、向商業化邁進。

解令海（左）與導師黃維院士在一起

一點亮光，燃遍世界

SFX一鍋法的最大貢獻，并不只是在于解令海課題組所作出的成果，而更在于這一發現對世界化學、精細化學品、材料學以及光電子學家的啟發，對系列SFX化學及相關中間體產業化的推動，乃至對整個有機電子領域發展的創新性引領。

正如前文所述，SFX一鍋法甫一出現，便得到了世界范圍相關領域科學家的關注，更重要的是，這種關注呈現出非線性與持續性，這讓他感知了老子的道一萬物原理和宇宙大爆炸圖景。

Timothy M. Swager教授在2016年突破缺電子底物的學術論文發表后，再次給予了亮點報道。此外，SFX化學及其一鍋法反應方程式還被法國雷恩第一大學的Poriel Cyril教授、美國明尼蘇達大學Thomas R. Hoye教授以及大連理工大學周宇涵副教授等在內的國內外同行的借鑒。

更進一步的，一鍋法被全世界材料學以及光電子學家廣泛采納，并在此基礎上設計相關材料應用于有機電子及其相關領域，其中包括PLED之父R. H.Friend爵士、有機激光專家Ifor D. W. Samuel、北京大學鄒德春教授、國家納米中心韓寶航研究員等。瑞典皇家工程院、阿倫烏尼斯獎章獲得者孫立成院士將其應用于敏化太陽能電池（DSSC）和鈣鈦礦電池，實現了光電轉換超過20%的效率。

顯而易見，SFX形成的原始創新成果，及SFX一鍋法得到了國內外同行的公認和廣泛采納與應用，正在為低成本半導體設計提供核心設計單元。

同時，SFX一鍋法及相關成果多次在中國化學年會、相關的國際學術會議上進行學術交流，它曾作為核心成果申報具有工業界諾貝爾獎盛譽的埃尼獎（Eni Award，2013年度）；它獲得了2013年國家自然科學獎二等獎、2013年江蘇省科學技術獎二等獎、2009年江蘇省科技進步獎二等獎等諸多獎項……相信今后各項名譽還會伴隨其前行。

進入千家萬戶服務于民是每一個發現的最終宿命，產業化與商業化是其必經之路。真理是不怕被驗證的，只有得到應用實現產業化，才能體現其最高價值。SFX類有機電子材料憑借其突出的成本優勢和在材料穩定性等方面的卓越特性，在產業界表現出巨大的潛力。

“按照經濟模型核算，SFX成本僅有傳統SBF的1/30，是SBF的完美替代品。”SFX一鍋法的顯著成本優勢，使得SFX的商業化成為可能。解令海介紹，在研究過程中，課題組努力形成了SFX的部分專利，包括兩個藍光材料的專利（專利號：ZL201010173616.0；ZL201110120304.8），并嘗試了產業化研發與開發。

2014年，課題組成功將SFX推介給專業的高端化學試劑供應商——百靈威科技有限公司，并與其形成了長期合作協議，百靈威將系列螺芴精細化學品放入其產品目錄，并在官網設立專區重點宣傳。如今，SFX化學品及其相關中間體，已經通過合作實現了商業化。

與此同時，解令海課題組還關注到，SFX也已進入北京環靈科技有限公司、宇瑞（上海）化學有限公司、寧波盧米藍新材料有限公司等十余家公司的商業化產品目錄；SFX相關衍生物已被多家化工企業網站關注并生產；而X60空穴傳輸材料已被太陽能電池公司瑞典Dyenamo AB、西安寶萊特光電科技有限公司、浙江寧波博潤新材料科技有限公司等多家公司銷售。“最近我們關注到SFX被煙臺顯華化工材料有限公司中試量產，出口韓國，這讓SFX應用于OLED顯示技術成為可能。”未來，SFX將成為發光顯示與固體照明、太陽能源等行業優質的材料構筑單元。

到今天，SFX已成為綠色有機半導體合成的典范，歷經12年成功實現了從實驗室到產品化的跨越。面向有機電子的一鍋法發現與SFX基礎研究，正在為工業界的繁榮提供強有力的支撐。

人才承繼，創新不止

需要指出的是，解令海課題組的創新嘗試，并不限于基礎研究與產業應用，還拓展到了教學當中。

他們將SFX從科學研究拓展到了人才培養與學科建設。

SFX科研成果作為重要研究課題和知識點應用于本碩博學生培養、教研一體化以及虛擬實驗項目。從2007年開始，以SFX為題，已經培養出5位博士、14位碩士，包括多位專業碩士和聯合培養研究生。

同時，SFX研究成果被改編成有機合成綜合實驗，作為大學生課外創新素材引入本科生培訓體系，并借助大學生科技創新訓練計劃、畢業設計、創新創業大賽培養了一大批優秀學生。特別值得指出的是，林冬青博士以氮雜SFX為題，在本科階段即在《Organic Letters》雜志上發表文章，本科畢業設計獲得省優，留校繼續攻讀博士，實現了本碩博貫通式的培養。

而SFX作為有效知識點將本碩博關聯起來，“本科－碩士－博士互動”培養創新型人才的探索與實踐也獲得了江蘇省教學成果獎一等獎。

目前，結合“互聯網+”、虛擬化學實驗、游戲化教學以及新一代人工智能的未來趨勢與需求，已經開發了SFX的虛擬仿真實驗項目，即“傅克反應—螺芴氧雜蒽（SFX）的一鍋法串聯反應虛擬仿真合成”。另外，SFX的發現與成長歷程還激發形成了“哲學博士”以及“知識發現之旅”等課程，講述知識發現的過程，面向本科與研究生開設選修課。

SFX的研究成果豐富了有機材料的合成化學，與本科化學專業的芳烴化學章節密切相關。在此認識基礎上，解令海課題組參與編寫了“有機化學”教材，該教材獲得了2012年中國石油和化學工業出版物獎（教材獎）一等獎，入選了“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材。

這些嘗試都是積淀，是科學精神的積淀，更是創新人才的積淀。研究需要更多的人去承繼，而創新從未停下腳步。

解令海說，關于SFX，仍有廣闊的發展空間，仍有很多研究方向有待突破。比如試劑與底物仍需拓展，機理仍需進一步細化；印刷型SFX類電致發光材料在效率、亮度、穩定性及成本等方面距離完全商業化仍有很大距離；更低成本、更多功能的器件研發仍是值得努力的方向……

具體到解令海課題組，SFX作為一個重要的分子坐標，已經成為課題組科學實踐的新起點，未來，SFX的深層次分子工程、納格技術以及智能分子項目將是他們著力攻關的重點研究課題。

而對于解令海本人，SFX已成為其終身志業。這個讓他對學術界—教育界—企業界—政界之間的關系有了更深刻認識的“化學精靈”，正在指引他下一步的研究征程，鼓勵他為未來開啟更多的可能。

解令海，南京郵電大學教授、博士生導師，材料科學與工程學院副院長、光電材料研究所所長，分子系統與有機器件中心負責人。國家優秀青年科學基金獲得者、教育部新世紀優秀人才、江蘇特聘教授、江蘇省有突出貢獻中青年專家、江蘇省“333高層次人才工程”第二層次中青年領軍人才、江蘇省“六大人才高峰”創新人才團隊帶頭人。

主要研究方向有機/塑料電子，主要貢獻包括螺芳烴的一鍋合成方法、分子吸斥協同理論（SMART）、超穩定寬帶隙納米聚合物以及分子電子/離子多媒體智能，相關成果以第一或通訊作者在Nat. Commun., Adv.Mater., J. Am. Chem. Soc., Prog. Polym. Sci. ACS Nano、Small、Macromolecules、Organic Letters等雜志上公開發表SCI論文200余篇，他引3700余次（h-index =36）；撰寫專著（章節）5篇，獲授權發明專利37件，主題/邀請/口頭報告30余次。所發表論著被Nature Chemistry, Nature Communications, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society, Energy & Environmental Science 等頂級期刊雜志引用，受到國際同行認同。獲得國家自然科學二等獎（3/5）、2009年獲江蘇省科技進步獎二等獎（3/7）、2013年獲江蘇省科學技術獎二等獎（4/7）、江蘇省教學成果一等獎（2/10）等。