Fluor se v několika ohledech liší od ostatních substituentů vyskytujících se v organických molekulách. Fyzikální i chemické vlastnosti organofluoridů jsou tak mnohdy odlišné od ostatních halogenderivátů.
Vazba uhlík–fluor je jednou z nejsilnějších v organické chemii, s průměrnou energií okolo 480 kJ/mol[1]. Je tak výrazně silnější než vazby uhlíku s ostatními halogeny (například energie vazeb C-Cl se pohybují kolem 320 kJ/mol[1]), čímž propůjčuje organofluoridům vysokou tepelnou a chemickou stálost.
Van der Waalsův poloměr fluorového substituentu je pouze 147 pm,[1], tedy nejmenší ze všech heteroatomů a poměrně blízký vodíku (120 pm). Toto společně s malou délkou vazeb C-F vysvětluje, proč se u polyfluorovaných sloučenin nevyskytuje sterické napětí a také je další příčinou tepelné stability. Fluorové substituenty u polyfluorovaných sloučenin účinně stíní uhlíkovou kostru a zabraňují tak atakům různých činidel, což jim dodává vysokou chemickou stabilitu.
Atomy fluoru mají nejnižší polarizovatelnost: 0,56 10−24 cm3.[1]disperzní síly mezi polyfluorovanými sloučeninami jsou tak velmi slabé a při fluoracích tak často dochází ke snížení teploty varu a navýšení hydrofobicity a lipofobicity oproti ostatním organohalogenidům, které jsou lipofilnější.
Fluorouhlíky, neboli perfluorované uhlovodíky, obsahují pouze atomy uhlíku a fluoru. Mohou být, v závislosti na molární hmotnosti, plynné, kapalné i pevné. Nejjednodušším zástupcem této skupiny je plynný tetrafluormethan (CF4). Kapalné skupenství mají například perfluoroktan a perfluordekalin. Fluorouhlíky s jednoduchými vazbami jsou stabilní, nenasycené vykazují vyšší reaktivitu, obzvláště pokud obsahují trojné vazby. Fluorourovodíky jsou chemicky i tepelně stálejší než uhlovodíky, protože vazby C-F jsou málo reaktivní; také se vyznačují výraznou lipofobicitou. Omezené Van der Waalsovy síly dodávají některým fluorouhlíkům využití v mazivech a někdy i vysokou těkavost. Kapalné fluorouhlíky mají využití v lékařství jako přenašeče kyslíku.
Struktury organofluoridů se mohou lišit. Perfluorované sloučeniny mají snahu se vyskytovat odděleně od uhlovodíků, tato vlastnost se využívá například u kyseliny perfluoroktanové při zpracování fluoropolymerů. Aromatické perfluorované uhlovodíky na rozdíl od alifatických obvykle s nefluorovanými sloučeninami vytvářejí směsi, ve kterých se objevují donor-akceptorové interakce pí-systémů.
Fluoropolymery
Existuje řada fluorovaných polymerů, od plně fluorovaných, jako je polytetrafluorethylen (PTFE) po částečně fluorované, například polyvinylidenfluorid ([CH2CF2]n) a polychlortrifluorethylen ([CFClCF2]n). Evropská unie částečně fluorované uhlovodíky (HFC) označuje jako F-plyny a připravila zákaz budoucího používání těchto plynů.[4]
Fluorouhlovodíky s nízkým počtem vazeb C-F se chovají podobně jako uhlovodíky, od kterých jsou odvozeny, ovšem mají odlišnou reaktivitu; například jak uracil, tak i fluorouracil jsou bezbarvé pevné látky s vysokými teplotami tání, ovšem druhá z těchto látek je účinným protinádorovým léčivem. Vazby C-F se do léčiv zavádějí právě za účelem pozměnění reaktivity.[6] Řada léčiv a agrochemikálií obsahuje pouze jeden fluorový nebo trifluormethylový substituent.
Fluorokarbeny
Jako příklad, jak fluorové substituenty mění reaktivitu sloučenin, lze uvést také difluorkarben, CF2, který se vyskytuje v singletovém základním stavu, zatímco u methylenu (CH2) je základní stav tripletový.[7] Tento rozdíl má význam v tom, že se difluorkarben používá jako prekurzor tetrafluoroethylenu.
Perfluorované sloučeniny jsou strukturně podobné fluorouhlíkům, obsahují však i jiné atomy, například dusík či jod, nebo iontové skupiny, které mají například perfluorované karboxylové kyseliny.
Způsoby vytváření vazeb C–F
Organofluoridy lze připravit mnoha různými způsoby, které závisí na potřebné míře a regiochemii fluorace a vlastnostech prekurzorů. Přímou fluorací uhlovodíků F2, obvykle zředěným N2, vznikají vysoce fluorované sloučeniny:
R3CH + F2 → R3CHF + HF
Mnohé tyto reakce jsou ovšem neselektivní a musí se provádět opatrně, protože může dojít k nekontrolovatelnému „hoření“ uhlovodíků v F2, obdobnému jako je hoření v kyslíku (O2). Byly tak vyvinuty jiné postupy; ty se dělí na dvě skupiny.
Při elektrofilních fluoracích se používají zdroje fluoridových iontů (F+). Tyto zdroje, jako například F-TEDA-BF4 často obsahují vazby N-F. Asymetrické fluorace, kdy vzniká pouze jeden ze dvou možných enantiomerů, vyžadují elektrofilní fluorační činidla.[8]
Významným druhem elektrofilní fluorace je elektrosyntéza. Tímto způsobem většinou dochází k perfluoraci, tedy nahrazení všech vazeb C–H vazbami C–F. Uhlovodík bývá rozpuštěn nebo rozptýlen v roztoku HF a směs je elektrolyzována při napětí 5 až 6 V za použití niklovýchanod.[10] Tímto způsobem byl poprvé připraven perfluorpyridin (C5F5N) z pyridinu (C5H5N). Bylo popsáno několik obměn tohoto postupu, například použití hydrogendifluoridu draselného nebo organických rozpouštědel.
Nukleofilní fluorace
Fluoraci lze provést nejen elektrofilně, ale také nukleofilně , s využitím zdrojů fluoridových (F−) iontů, které zpravidla nahrazují ionty chloridové nebo bromidové. Nejjednodušší jsou podvojné záměny s použitím fluoridů alkalických kovů.[11] U alifatických sloučenin se tento postup někdy nazývá Finkelsteinova reakce, zatímco u aromatických jde o Halexův proces.
R3CCl + MF → R3CF + MCl (M = Na, K, Cs)
Alkylfluoridy je možné připravit reakcemi alkoholů s Olahovými činidly (například fluoridem pyridinia) nebo jinými fluoridačními činidly.
I když vypadá fluorovodík jako nepravděpodobný nukleofil, tak je při přípravách organofluoridů nejčastějším nukleofilem. Tyto reakce často katalyzují fluoridy kovů, jako je fluorid chromitý. 1,1,1,2-tetrafluorethan, látka nahrazující chlorfluorované uhlovodíky, se vyrábí takto:[13]
Místo SF4 se může použít DAST, NEt2SF3 nebo bis(2-methoxyethyl)aminofluorid síry. Tyto reaktanty se snadněji skladují a jsou selektivnější:[14]
Z fluorovaných sloučenin
Řada organofluorových sloučenin se vyrábí z reaktantů obsahujících perfluoralkylové a perfluorarylové skupiny; například jako zdroj trifluormethylových skupin může sloužit (trifluormethyl)trimethylsilan, CF3Si(CH3)3.[15] K jiným používaným zdrojům patří CF3X (X = Br, I), C6F5Br a C3F7I. Tyto sloučeniny vytváří Grignardova činidla, která následně mohou reagovat that s mnoha různými elektrofily. Rozvoj fluoračních metod je z velké části řízen vývojem sloučenin sloýužících k zavádění fluorovaných řetězců.
Dalším významným využitím fluorovaných reaktantů je průmyslová výroba tetrafluoroethylenu (přes difluorkarbenový meziprodukt). Tento proces začíná tepelnou (při 600-800 °C) dehydrochlorací chlordifluormethanu:[6]
CHClF2 → CF2 + HCl
2 CF2 → C2F4
K tvorbě chlorfluorkarbenu, meziproduktu cyklopropanačních reakcí, se používá fluordichloroctan sodný (CAS 2837-90-3).
Způsoby navazování 18F
Radiofarmaka obsahující fluor mají využití v 18F-pozitronové emisní tomografii a jejich potřeba podnítila vývoj nových způsobu tvorby vazeb C–F. Vzhledem ke krátkému poločasu přeměny18F musí tyto syntézy být vysoce účinné, rychlé a snadno proveditelné.[16]
Biologicky vznikající organofluoridy byly nalezeny u mikroorganismů a rostlin, ovšem nikoliv u živočichů.[17] Nejčastější takovou sloučeninou je kyselina fluoroctová, která slouží jako ochrana proti býložravcům u nejméně 40 rostlinám rostoucím v Austrálii, Brazílii a Africe.[18]
Uměle vytvořené vazby C-F jsou časté v léčivech a agrochemikáliích, protože zde stabilizují uhlíkaté řetězce; malý kovalentní poloměr atomu fluoru navíc umožňuje jeho funkci jako bioisosteru vodíku. Zavádění vazeb uhlík-fluor do molekul léčiv je jedním z hlavních úkolů farmaceutické chemie, protože jejich přítomnost zvyšuje pravděpodobnost nalezení účinného léčiva přibližně desetkrát.[20]
Kolem 20 % léčiv a 30 až 40 % agrochemikálií patří mezi organofluoridy.[20]
Fluorouhlíky také slouží jako hnací plyny v inhalátorech používaných pacienty s astmatem. Tyto hnací plyny obvykle obsahují hydrofluoroalkany (HFA), jež nahradily chlorfluorované uhlovodíky (CFC). Inhalátory obsahující CFC byly v roce 2008 zakázány Montrealským protokolem,[21] protože přispívají k poškozování ozonové vrstvy.
Fluorované tenzidy
Fluorované sloučeniny, obsahující polyfluorované hydrofobní řetězce a hydrofilní části, slouží jako tenzidy, protože se v důsledku své lipofilicity hromadí na rozhraní kapaliny a vzduchu. Mají nízké povrchové energie a výrazně snižují povrchové napětí. Nejvíce jsou prozkoumány kyselina perfluoroktansulfonová (PFOS) a kyselina perfluoroktanová, jsou známy svou toxicitou a dlouhým setrváváním v lidských tělech a životním prostředí.
Rozpouštědla
Fluorované sloučeniny mohou být použity jako rozpouštědla. Dichlordifluormethan a chlordifluormethan se často používaly jako chladiva. Vzhledem k tomu, že CFC požkozují ozonovou vrstvu tvorbou radikálůhomolytickým štěpením vazeb uhlík-chlor, tak bylo jejich používání výrazně omezeno. Hydrofluorované uhlovodíky (HFC), jako je tetrafluorethan, je mohou nahradit, protože ozonovou vrstvu nepoškozují.
Dobrá rozpustnost kyslíku v perfluorovaných sloučeninách vyplývající z jejich lipofilicity, se využívá například u perfluordekalinu k nahrazování krve a přenosu kyslíku do plic.
Vysoce fluorované substituenty, jako je perfluorhexyl (C6F13), pozměňují vlastnosti molekul jako rozpouštědel, což usnadňuje přečišťování produktů v organické syntéze.[23][24] Sloučeniny bohaté na fluor se přednostně rozpouštějí v rozpouštědlech, které také obsahují více fluorových atomů. Vzhledem k nízké reaktivitě vazeb C-F lze tyto fluorová rozpouštědla použít i u jinak obtížně rozpustitelných látek. Příkladem může být použití fluoroalkylovaných hydridů cínů při redukcích, kde se produkty snadno oddělují od zbytků reaktantů extrakcí fluorovanými rozpouštědly.[25]
Hydrofobní fluorované iontové kapaliny, jako například organické soli bistriflimidového a hexafluorfosforečnanového aniontu, mohou tvořit fáze, které nejsou rozpustné ani ve vodě, ani v organických rozpouštědlech, za vzniku vícefázových kapalin.
Organofluoridové ligandy a přechodné kovy
Organofluoridové ligandy mají své využití také v organokovové a koordinační chemii. Jednou z vlastností ligandů obsahujících fluor je možnost použití 19F NMR spektroskopie ke zkoumání reakcí. Organofluoridy mohou sloužit jako „sigma-donorové ligandy“, jak je níže znázorněno na titanitém komplexu [(C5Me5)2Ti(FC6H5)]BPh4. Nejčastěji se ovšem fluorouhlíkové substituenty používají ke zvýšení Lewisovské kyselosti kovových center; jako příklad lze použít Eufod, komplex trojmocného europia, který obsahuje perfluorheptylovaný acetylacetonátovýligand. Tato sloučenina a jí podobné mají využití v organické syntéze a NMR spektroskopii.
V oblastech, kde se překrývají organokovová chemie a materiálové vědy, mohou fluorované organické ligandy sloužit k upravování vlastností molekul. Míra a regiochemie fluorace metalovaných 2-fenylpyridinových ligandů v platnatých komplexech mají velký vliv na emisní vlastnosti komplexů.[26]
V organokovové chemii se využívá štěpení vazeb C-F reaktanty založenými na přechodných kovech. K tomuto účelu byly vyvinuty stechiometrické i katalytické reakce; jde také o předmět zájmu v organické syntéze a odstraňování cizorodých látek z životního prostředí.[28] Aktivace vazeb C-F se dělí na tyto skupiny: (i) oxidační adice fluorouhlíků, (ii) tvorba vazeb M–C eliminací HF, (iii) tvorba vazeb M–C eliminací fluorosilanů, (iv) hydrodefluorace fluorouhlíků tvorbou vazeb M–F, (v) nukleofilní ataky fluorovodíků, a (vi) defluorace fluorouhlíků. Jako příklad aktivace vazby C-F řízené kovem může být uvedena defluorace fluorhexanu hydridem zirkonatým:
Organofluoridy mají rovněž řadu využití v materiálových vědách. Vzhledem k nízkým koeficientům tření slouží kapalné fluoropolymery jako maziva. Fluorouhlíky jsou obsaženy v některých mazivech do střelných zbraní. Díky své nehořlavosti jsou také složkami hasicích hmot. Organofluoridy se také nacházejí v displejích z tekutých krystalů. Polymer kyseliny trifluormethansulfonové se používá jako pevná kyselina, v membránách nízkoteplotních palivových článků. Monomer 4,4'-difluorbenzofenon slouží na výrobu polyetherketonů.
Od konce 40. let 20. století bylo vyvinuto několik postupů přípravy organofluoridů založených na elektrofilních fluoracích, u prvních se používal fluorid kobaltitý (CoF3). Joseph H. Simons objevil elektrofluoraci, kterou se daly získat velmi stabilní perfluorované profukty.[10] Tyto nové postupy umožnily tvorbu vazeb C-F bez používání elementárního fluoru a využívání podvojných záměn.
V roce 1957 byly popsány protinádorové účinky 5-fluoruracilu. Tento objev ukázal na jedno z prvních využití racionálního upravování léčiv.[34]
Tento objev vedl k růstu zájmu o fluorovaná léčiva a agrochemikálie. Příprava prvních sloučenin vzácných plynů, například fluoridu xenoničitého (XeF4) poskytlo v 60. letech další skupinu použitelných reaktantů. V 70. letech 20. století bylo do pozitronové emisní tomografie zavedeno používání fluorodeoxyglukózy. Za objev škodlivého vlivu chlorfluorovaných uhlovodíků na ozonovou vrstvu byla udělena Nobelova cena. Tento objev vedl k rozvoji organofluoridových náhražek, které ozonovou vrstvu nepoškozují. V roce 2002 byla popsána fluorináza jako první známý enzym vytvářející vazby C-F.[35]
Bezpečnost
Pouze několik organofluoridů, jako například kyselina fluoroctová a perfluorisobuten, je bioaktivních a výrazněji toxických.
Některé organofluoridy jsou nebezpečné pro zdraví a životní prostředí. Fluorchlorované (CFC) a hydrofluorchlorované uhlovodíky (HCFC) poškozují ozonovou vrstvu a jsou silnými skleníkovými plyny.
Vzhledem k síle vazeb uhlík-fluor se řada umělých fluorovaných organických sloučenin v přírodě nerozkládá. Fluorované tenzidy, jako jsou kyselina perfluoroktansulfonová a kyselina perfluoroktanová, jsou znečišťujícími látkami s celosvětovým rozšířením. CFC a tetrafluormethan byly nalezeny i v horninách.[17]
↑J. Lapasset; J. Moret; M. Melas; A. Collet; M. Viguier; H. Blancou. Crystal structure of 12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,17,17,17-tridecafluoroheptadecan-1-ol, C17H23F13O. Zeitschrift für Kristallographie – Crystalline Material. 1996, s. 945–946. DOI10.1524/zkri.1996.211.12.945. Bibcode1996ZK....211..945L.
↑C. E. Smith, P. S. Smith, R. Ll. Thomas, E. G. Robins, J. C. Collings, Chaoyang Dai, A. J. Scott, S. Borwick, A. S. Batsanov, S. W. Watt, S. J. Clark, C. Viney, J. A. K. Howard, W. Clegg, T. B. Marder. Arene-perfluoroarene interactions in crystal engineering: structural preferences in polyfluorinated tolans. Journal of Materials Chemistry. 2004, s. 413. DOI10.1039/b314094f.
↑Oliver Milman. 100 countries push to phase out potentially disastrous greenhouse gas. The Guardian [online]. 2016-09-22 [cit. 2016-09-22]. Dostupné online.
↑ abcG. Siegemund, W. Schwertfeger, A. Feiring, B. Smart, F. Behr, H. Vogel, B. McKusick "Fluorine Compounds, Organic" in "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry" 2005, Wiley-VCH, Weinheim DOI:10.1002/14356007.a11_349Je zde použita šablona {{DOI}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑Stéphane Caron; Robert W. Dugger; Sally Gut Ruggeri; John A. Ragan; David H. Brown Ripin. Large-Scale Oxidations in the Pharmaceutical Industry. Chemical Reviews. 2006, s. 2943–2989. DOI10.1021/cr040679f. PMID16836305.
↑ abJ. H. Simons. The Electrochemical Process for the Production of Fluorocarbons. Journal of the Electrochemical Society. 1949, s. 47–66. DOI10.1149/1.2776733.
↑VOGEL, A. I.; LEICESTER, J.; MACEY, W. A. T. n-Hexyl Fluoride. Org. Synth.. Dostupné online.Je zde použita šablona {{Citation}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.; Coll. Vol.. S. 525.Je zde použita šablona {{Citation}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.Je zde použita šablona {{OrgSynth}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑FLOOD, D. T. Fluorobenzene. Org. Synth.. Dostupné online.Je zde použita šablona {{Citation}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.; Coll. Vol.. S. 295.Je zde použita šablona {{Citation}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.Je zde použita šablona {{OrgSynth}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑ abWilliam R. Dolbier. Fluorine Chemistry at the Millennium. Journal of Fluorine Chemistry. 2005, s. 157–163. DOI10.1016/j.jfluchem.2004.09.033.
↑Gauri S. Lal; Guido P. Pez; Reno J. Pesaresi; Frank M. Prozonic. Bis(2-methoxyethyl)aminosulfur trifluoride: a new broad-spectrum deoxofluorinating agent with enhanced thermal stability. Chemical Communications. 1999, s. 215–216. DOI10.1039/a808517j.
↑PICHIKA RAMAIAH, RAMESH KRISHNAMURTI, AND G. K. SURYA PRAKASH. 1-trifluoromethyl)-1-cyclohexanol. Org. Synth.. 1998, s. 232. Dostupné online.Je zde použita šablona {{Citation}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.Je zde použita šablona {{OrgSynth}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑D. Le Bars. Fluorine-18 and Medical Imaging: Radiopharmaceuticals for Positron Emission Tomography. Journal of Fluorine Chemistry. 2006, s. 1488–1493. DOI10.1016/j.jfluchem.2006.09.015.
↑David O'Hagan; Christoph Schaffrath; Steven L. Cobb; John T. G. Hamilton; Cormac D. Murphy. Biochemistry: Biosynthesis of an organofluorine molecule. Nature. 2002, s. 279. DOI10.1038/416279a. PMID11907567. Bibcode2002Natur.416..279O.
↑Phase-Out of CFC Metered-Dose Inhalers [online]. [cit. 2017-09-10]. Dostupné online.
↑KABAYADI S. RAVIKUMAR, VENKITASAMY KESAVAN, BENOIT CROUSSE, DANIÈLE BONNET-DELPON, AND JEAN-PIERRE BÉGUÉ. Mild and Selective Oxidation of Sulfur Compounds in Trifluorethanol: Diphenyl Disulfide and Methyle Phenyl Sulfoxide. Org. Synth.. 2003, s. 184. Dostupné online.Je zde použita šablona {{Citation}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.Je zde použita šablona {{OrgSynth}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑E. G. Hopea, A. P. Abbotta, D. L. Daviesa, G. A. Solana and A. M. Stuarta "Green Organometallic Chemistry" in Comprehensive Organometallic Chemistry III, 2007, Volume 12, Pages 837-864. DOI:10.1016/B0-08-045047-4/00182-5Je zde použita šablona {{DOI}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑AIMEE CROMBIE, SUN-YOUNG KIM, SABINE HADIDA, AND DENNIS P. CURRAN. Synthesis of Tris(2-Perfluorohexylethyl)tin Hydride: A Highly Fluorinated Tin Hydride with Advantageous Features of Easy Purification. Org. Synth.. Dostupné online.Je zde použita šablona {{Citation}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.; Coll. Vol.. S. 712.Je zde použita šablona {{Citation}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.Je zde použita šablona {{OrgSynth}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑M.E. Thompson, P.E. Djurovich, S. Barlow and S. Marder "Organometallic Complexes for Optoelectronic Applications" Comprehensive Organometallic Chemistry III, 2007, Volume 12, Pages 101-194. DOI:10.1016/B0-08-045047-4/00169-2Je zde použita šablona {{DOI}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑J.C. Peters, J.C. Thomas "Ligands, Reagents, and Methods in Organometallic Synthesis" in Comprehensive Organometallic Chemistry III, 2007, Volume 1, Pages 59-92. DOI:10.1016/B0-08-045047-4/00002-9Je zde použita šablona {{DOI}} označená jako k „pouze dočasnému použití“.
↑R.N. Perutz and T. Braun "Transition Metal-mediated C–F Bond Activation" Comprehensive Organometallic Chemistry III, 2007, Volume 1, Pages 725-758. DOI:10.1016/B0-08-045047-4/00028-5Je zde použita šablona {{DOI}} označená jako k „pouze dočasnému použití“..
↑D. O'Hagan; David B. Harper. Fluorine-Containing Natural Products. Journal of Fluorine Chemistry. 1999, s. 127–133. DOI10.1016/S0022-1139(99)00201-8.
↑Roy J. Plunkett [online]. 2016 [cit. 2018-02-21]. Dostupné online.
↑Center for Oral History. Roy J. Plunkett [online]. [cit. 2018-02-21]. Dostupné online.
↑C. Heidelberger, N. K. Chaudhuri, P. Danneberg, D. Mooren, L. Griesbach, R. Duschinsky, R. J. Schnitzer, E. Pleven, J. Schreiner. Fluorinated Pyrimidines, A New Class of Tumour-Inhibitory Compounds. Nature. 1957, s. 663–666. DOI10.1038/179663a0. PMID13418758. Bibcode1957Natur.179..663H.
↑U.S. White House Press Secretary. United States, China, and Leaders of G-20 Countries Announce Historic Progress Toward a Global Phase Down of HFCs. obamawhitehouse.archives.gov [online]. 2013-09-06 [cit. 2013-09-16]. Dostupné online.