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原文刊載于《科技創(chuàng)新與品牌》雜志2018年12月刊，原題為“偶然科學(xué)發(fā)現(xiàn)給未來以更多可能——螺芴氧雜蒽（SFX）的一鍋法探索發(fā)現(xiàn)12周年”

它曾兩次被有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)評論雜志《Synfacts》積極評價(jià)，多次被世界相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家引用，后被廣泛采納應(yīng)用于螺芴類光電材料設(shè)計(jì)及有機(jī)光電子相關(guān)領(lǐng)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(dǎo)體以及未來有機(jī)電子學(xué)的發(fā)展，呈現(xiàn)出更廣闊的可能性。

它憑借低成本、環(huán)境友好和原子經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，甫一出現(xiàn)，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(xié)同規(guī)律與真理的化身，發(fā)現(xiàn)于偶然獲得SFX的過程中，即SFX的一鍋傅克串聯(lián)合成方法，簡稱SFX的一鍋法。

自一鍋法的發(fā)現(xiàn)至今12年來， 圍繞SFX及其螺芳烴的相關(guān)實(shí)踐已經(jīng)形成了系統(tǒng)化的科研與教學(xué)成果，實(shí)現(xiàn)了SFX從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到企業(yè)生產(chǎn)車間的跨越，實(shí)現(xiàn)了SFX的商業(yè)化，是成為中國科學(xué)發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新的一次有益嘗試。

△ SFX的分子結(jié)構(gòu)

自偶然始

生活會(huì)出現(xiàn)偶然，科研也不例外，特別在科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，偶然總在發(fā)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(gè)偶然開始的。SFX的一鍋法，就是那個(gè)被南京郵電大學(xué)教授解令海抓住的偶然。

2004年，仍在復(fù)旦大學(xué)先進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程中，在進(jìn)行柱層析分離時(shí)，偶然觀察到一種極性比芴酮小的副產(chǎn)物，并發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)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(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新，于是開始深入研究這個(gè)偶然出現(xiàn)的分子。

在導(dǎo)師黃維院士的指導(dǎo)下，經(jīng)過核磁共振波譜、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、單晶衍射等一系列表征與解析過程，最后證實(shí)這個(gè)分子是SFX結(jié)構(gòu)。更進(jìn)一步的，他們給出了形成的合成機(jī)理，涉及有機(jī)化學(xué)芳烴章節(jié)中的正離子傅克反應(yīng)和碳-氧鍵形成的一步三鍵過程。后來，通過不斷優(yōu)化反應(yīng)條件、提高產(chǎn)率，確立了這種簡單、高效的“一鍋煮”傅克串聯(lián)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(jī)半導(dǎo)體構(gòu)筑單元，SFX因四面體雜化的碳原子中心而呈現(xiàn)十字交叉的靚麗構(gòu)型，其獨(dú)特的螺共軛特征、空間位阻效應(yīng)以及熱穩(wěn)定性，可有效抑制分子間相互作用，提高有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件的光電性能及其穩(wěn)定性。

發(fā)展到今天，以螺二芴（SBF）衍生物為代表的螺環(huán)芳烴已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLEDs）、激光器、染料敏化太陽能電池、場效應(yīng)晶體管等多個(gè)領(lǐng)域。

但不可否認(rèn)，原料昂貴、合成步驟復(fù)雜，是SBF在商業(yè)化進(jìn)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(jié)構(gòu)都成為重要研究課題。而一鍋法的發(fā)現(xiàn)，就是在這一背景之下有了存在的價(jià)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(yōu)勢。SFX一鍋法的發(fā)現(xiàn)，讓SFX在有機(jī)電子及其相關(guān)領(lǐng)域，特別是有機(jī)發(fā)光器件（OLED）顯示與照明技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出強(qiáng)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(xué)品商業(yè)化目錄中的價(jià)格，明顯低于通過鄰鹵二芳基法合成的SBF，在商業(yè)化過程中表現(xiàn)出巨大潛力。

2006年，SFX的低成本一鍋制備方法相關(guān)成果發(fā)表于有機(jī)化學(xué)權(quán)威雜志《Organic Letters》（有機(jī)化學(xué)快訊），形成了獨(dú)立知識節(jié)點(diǎn)。

一經(jīng)報(bào)導(dǎo)，即引起世界范圍相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家的關(guān)注。它得到美國科學(xué)院院士、麻省理工學(xué)院麥克阿瑟講席教授、德什潘德科技創(chuàng)新中心主任、麻省理工學(xué)院化學(xué)系前系主任的Timothy M. Swager教授的亮點(diǎn)報(bào)道，并引起韓、日等科學(xué)家的關(guān)注，更被日本科學(xué)家給予了人名反應(yīng)的稱謂，即“黃氏傅克反應(yīng)”，最近還被《NatureChemistry》引用。

從這個(gè)時(shí)候起，那個(gè)被抓住的偶然，慢慢在解令海和導(dǎo)師、同事的推動(dòng)下變成必然。

△ 解令海（左）與導(dǎo)師黃維院士在一起

向必然去

接下來10余年時(shí)間，是解令海追逐必然、運(yùn)用必然的過程。

博士畢業(yè)后，解令海跟隨導(dǎo)師黃維院士加入南京郵電大學(xué)，協(xié)助建設(shè)信息材料與納米技術(shù)研究院（IAM）/材料科學(xué)與工程學(xué)院，并以課題組長的身份領(lǐng)導(dǎo)了分子系統(tǒng)與有機(jī)器件中心（CMSOD），開展科學(xué)研究、人才培養(yǎng)的工作。

在這里，基于一鍋法合成SFX的一系列系統(tǒng)研究與應(yīng)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(shí)現(xiàn)了從酚類到苯胺類、從芴到雜芴如氮雜物或環(huán)戊二噻吩的底物拓展，特別是突破了吸電子底物，實(shí)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，因?yàn)槠湓狭畠r(jià)、化學(xué)原理簡單，讓基礎(chǔ)并不扎實(shí)的南郵材料院的研究生能夠容易掌握，從而提升了整個(gè)課題組的信心，讓學(xué)生感知科學(xué)的可重復(fù)-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(xué)科學(xué)研究的艱難第一步。

他們積極推動(dòng)面向位阻型有機(jī)半導(dǎo)體的SFX平臺(tái)構(gòu)建及其分子設(shè)計(jì)。他們形成了鍋-原子-步驟經(jīng)濟(jì)（PASE）的綠色有機(jī)半導(dǎo)體合成的理念，利用一鍋法與各類綠色反應(yīng)結(jié)合進(jìn)行環(huán)境友好型半導(dǎo)體的研發(fā)，比如他們借助環(huán)境友好的日光反應(yīng)與原子經(jīng)濟(jì)的C-H鍵活化反應(yīng)進(jìn)行分子修飾，為實(shí)現(xiàn)SFX類綠色有機(jī)半導(dǎo)體的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

豐富的分子多樣性及其便捷的宏量制備技術(shù)使得研究、解析其分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系成為可能，他們積極探討有利于諸如穩(wěn)定寬帶隙、無定形態(tài)、高性能的分子設(shè)計(jì)原理。他們形成了四元分子原理，即一個(gè)分子的電子結(jié)構(gòu)、空間位阻、構(gòu)象拓?fù)浜头枪矁r(jià)鍵四要素結(jié)構(gòu)是統(tǒng)治分子系統(tǒng)上層次行為的全部，并基于該原理開展了SFX類衍生物的結(jié)構(gòu)與相貌、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系研究，為高性能材料與器件的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

借助一鍋法的低成本優(yōu)勢，他們在應(yīng)用于有機(jī)電子領(lǐng)域的SFX及其衍生物開發(fā)中獲得了多項(xiàng)突破。他們廣泛合作開展了OLED藍(lán)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(chǔ)器電荷俘獲材料等材料的設(shè)計(jì)與探索，特別開發(fā)出了深藍(lán)電致發(fā)光材料、電致磷光客體材料、磷光RGB主體材料等具有商業(yè)化潛力的OLED材料。

以深藍(lán)電致發(fā)光材料為例，自2009年起解令海課題組就已經(jīng)開始有所突破。他們設(shè)計(jì)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?yōu)榛A(chǔ)實(shí)現(xiàn)了兩款高性能的深藍(lán)光器件，性能指標(biāo)均十分優(yōu)異。

他們通過自己的努力，一步步向應(yīng)用、向商業(yè)化邁進(jìn)。

△ SFX可應(yīng)用于有機(jī)電子領(lǐng)域的多種材料設(shè)計(jì)

一點(diǎn)亮光，燃遍世界

SFX一鍋法的最大貢獻(xiàn)，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(fā)現(xiàn)對世界化學(xué)、精細(xì)化學(xué)品、材料學(xué)以及光電子學(xué)家的啟發(fā)，對系列SFX化學(xué)及相關(guān)中間體產(chǎn)業(yè)化的推動(dòng)，乃至對整個(gè)有機(jī)電子領(lǐng)域發(fā)展的創(chuàng)新性引領(lǐng)。

正如前文所述，SFX一鍋法甫一出現(xiàn)，便得到了世界范圍相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家的關(guān)注，更重要的是，這種關(guān)注呈現(xiàn)出非線性與持續(xù)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(xué)術(shù)論文發(fā)表后，再次給予了亮點(diǎn)報(bào)道。此外，SFX化學(xué)及其一鍋法反應(yīng)方程式還被法國雷恩第一大學(xué)的Poriel Cyril教授、美國明尼蘇達(dá)大學(xué)Thomas R. Hoye教授以及大連理工大學(xué)周宇涵副教授等在內(nèi)的國內(nèi)外同行的借鑒。

更進(jìn)一步的，一鍋法被全世界材料學(xué)以及光電子學(xué)家廣泛采納，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)相關(guān)材料應(yīng)用于有機(jī)電子及其相關(guān)領(lǐng)域，其中包括PLED之父R. H. Friend爵士、有機(jī)激光專家Ifor D. W. Samuel、北京大學(xué)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(jiǎng)?wù)芦@得者孫立成院士將其應(yīng)用于敏化太陽能電池（DSSC）和鈣鈦礦電池，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換超過20%的效率。

顯而易見，SFX形成的原始創(chuàng)新成果，及SFX一鍋法得到了國內(nèi)外同行的公認(rèn)和廣泛采納與應(yīng)用，正在為低成本半導(dǎo)體設(shè)計(jì)提供核心設(shè)計(jì)單元。

同時(shí)，SFX一鍋法及相關(guān)成果多次在中國化學(xué)年會(huì)、相關(guān)的國際學(xué)術(shù)會(huì)議上進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，它曾作為核心成果申報(bào)具有工業(yè)界諾貝爾獎(jiǎng)盛譽(yù)的埃尼獎(jiǎng)（EniAward，2013年度）；它獲得了2013年國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2013年江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2009年江蘇省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等諸多獎(jiǎng)項(xiàng)……相信今后各項(xiàng)名譽(yù)還會(huì)伴隨其前行。

進(jìn)入千家萬戶服務(wù)于民是每一個(gè)發(fā)現(xiàn)的最終宿命，產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)化是其必經(jīng)之路。真理是不怕被驗(yàn)證的，只有得到應(yīng)用實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，才能體現(xiàn)其最高價(jià)值。SFX類有機(jī)電子材料憑借其突出的成本優(yōu)勢和在材料穩(wěn)定性等方面的卓越特性，在產(chǎn)業(yè)界表現(xiàn)出巨大的潛力。

“按照經(jīng)濟(jì)模型核算，SFX成本僅有傳統(tǒng)SBF的1/30，是SBF的完美替代品?！盨FX一鍋法的顯著成本優(yōu)勢，使得SFX的商業(yè)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(gè)藍(lán)光材料的專利（專利號：ZL201010173616.0；ZL201110120304.8），并嘗試了產(chǎn)業(yè)化研發(fā)與開發(fā)。

2014年，課題組成功將SFX推介給專業(yè)的高端化學(xué)試劑供應(yīng)商——百靈威科技有限公司，并與其形成了長期合作協(xié)議，百靈威將系列螺芴精細(xì)化學(xué)品放入其產(chǎn)品目錄，并在官網(wǎng)設(shè)立專區(qū)重點(diǎn)宣傳。如今，SFX化學(xué)品及其相關(guān)中間體，已經(jīng)通過合作實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。

與此同時(shí)，解令海課題組還關(guān)注到，SFX也已進(jìn)入北京環(huán)靈科技有限公司、宇瑞（上海）化學(xué)有限公司、寧波盧米藍(lán)新材料有限公司等十余家公司的商業(yè)化產(chǎn)品目錄；SFX相關(guān)衍生物已被多家化工企業(yè)網(wǎng)站關(guān)注并生產(chǎn)；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(guān)注到SFX被煙臺(tái)顯華化工材料有限公司中試量產(chǎn)，出口韓國，這讓SFX應(yīng)用于OLED顯示技術(shù)成為可能?！蔽磥?，SFX將成為發(fā)光顯示與固體照明、太陽能源等行業(yè)優(yōu)質(zhì)的材料構(gòu)筑單元。

到今天，SFX已成為綠色有機(jī)半導(dǎo)體合成的典范，歷經(jīng)12年成功實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品化的跨越。面向有機(jī)電子的一鍋法發(fā)現(xiàn)與SFX基礎(chǔ)研究，正在為工業(yè)界的繁榮提供強(qiáng)有力的支撐。

△解令海（左）與美國麻省理工學(xué)院化學(xué)系主任Timothy M. Swager教授（中）、南開大學(xué)陳軍院士合影

人才承繼，創(chuàng)新不止

需要指出的是，解令海課題組的創(chuàng)新嘗試，并不限于基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，還拓展到了教學(xué)當(dāng)中。

他們將SFX從科學(xué)研究拓展到了人才培養(yǎng)與學(xué)科建設(shè)。

SFX科研成果作為重要研究課題和知識點(diǎn)應(yīng)用于本碩博學(xué)生培養(yǎng)、教研一體化以及虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。從2007年開始，以SFX為題，已經(jīng)培養(yǎng)出5位博士、14位碩士，包括多位專業(yè)碩士和聯(lián)合培養(yǎng)研究生。

同時(shí)，SFX研究成果被改編成有機(jī)合成綜合實(shí)驗(yàn)，作為大學(xué)生課外創(chuàng)新素材引入本科生培訓(xùn)體系，并借助大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃、畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀學(xué)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(fā)表文章，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)獲得省優(yōu)，留校繼續(xù)攻讀博士，實(shí)現(xiàn)了本碩博貫通式的培養(yǎng)。

而SFX作為有效知識點(diǎn)將本碩博關(guān)聯(lián)起來，“本科－碩士－博士互動(dòng)”培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的探索與實(shí)踐也獲得了江蘇省教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

目前，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”、虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)、游戲化教學(xué)以及新一代人工智能的未來趨勢與需求，已經(jīng)開發(fā)了SFX的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，即《傅克反應(yīng)—螺芴氧雜蒽（SFX）的一鍋法串聯(lián)反應(yīng)虛擬仿真合成》。另外，SFX的發(fā)現(xiàn)與成長歷程還激發(fā)形成了《哲學(xué)博士》以及《知識發(fā)現(xiàn)之旅》等課程，講述知識發(fā)現(xiàn)的過程，面向本科與研究生開設(shè)選修課。

SFX的研究成果豐富了有機(jī)材料的合成化學(xué)，與本科化學(xué)專業(yè)的芳烴化學(xué)章節(jié)密切相關(guān)。在此認(rèn)識基礎(chǔ)上，解令海課題組參與編寫了《有機(jī)化學(xué)》教材，該教材獲得了2012年中國石油和化學(xué)工業(yè)出版物獎(jiǎng)（教材獎(jiǎng)）一等獎(jiǎng)，入選了“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材。

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

解令海說，關(guān)于SFX仍有廣闊的發(fā)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(jī)理仍需進(jìn)一步細(xì)化；印刷型SFX類電致發(fā)光材料在效率、亮度、穩(wěn)定性及成本等方面距離完全商業(yè)化仍有很大距離；更低成本、更多功能的器件研發(fā)仍是值得努力的方向……

具體到解令海課題組，SFX作為一個(gè)重要的分子坐標(biāo)，已經(jīng)成為課題組科學(xué)實(shí)踐的新起點(diǎn)，未來，SFX的深層次分子工程、納格技術(shù)以及智能分子項(xiàng)目將是他們著力攻關(guān)的重點(diǎn)研究課題。

而對于解令海本人，SFX已成為其終身志業(yè)。這個(gè)讓他對學(xué)術(shù)界-教育界-企業(yè)界-政界之間的關(guān)系有了更深刻認(rèn)識的“化學(xué)精靈”，正在指引他下一步的研究征程，鼓勵(lì)他為未來開啟更多的可能。

解令海，南京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長、光電材料研究所所長，分子系統(tǒng)與有機(jī)器件中心負(fù)責(zé)人。國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、江蘇特聘教授、江蘇省有突出貢獻(xiàn)中青年專家、江蘇省“333高層次人才工程”第二層次中青年領(lǐng)軍人才、江蘇省“六大人才高峰”創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)帶頭人。

主要研究方向有機(jī)/塑料電子，主要貢獻(xiàn)包括螺芳烴的一鍋合成方法、分子吸斥協(xié)同理論（SMART）、超穩(wěn)定寬帶隙納米聚合物以及分子電子/離子多媒體智能，相關(guān)成果以第一或通訊作者在Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Prog. Polym. Sci. ACSNano、Small、Macromolecules、OrganicLetters等雜志上公開發(fā)表SCI論文200余篇，他引3700余次（h-index =36）；撰寫專著（章節(jié)）5篇，獲授權(quán)發(fā)明專利37件，主題/邀請/口頭報(bào)告30余次。所發(fā)表論著被NatureChemistry, 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(rèn)同。獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（3/5）、2009年獲江蘇省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（3/7）、2013年獲江蘇省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（4/7）、江蘇省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)（2/10）等。

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文案 | 高妍 鄭聲宇

圖片|受訪者提供

編輯| 蘇儀

偶然中的意外神奇，尋常中發(fā)現(xiàn)真理