Flúor e Fluoração Química

O flúor é um gás reativo altamente corrosivo. Em sua forma elementar, o flúor é altamente tóxico e deve ser manuseado com cuidado. O flúor é um componente necessário de muitos produtos farmacêuticos, produtos químicos finos e polímeros.  As reações de fluoração são projetadas para adicionar flúor às moléculas do substrato. Existem vários reagentes disponíveis para realizar fluorações. Um reagente fluorante comum é o ácido fluorídrico, mas também é corrosivo, reativo e deve ser usado com muito cuidado. O outro problema com a fluoração com flúor elementar ou HF é a especificidade. Eles tendem a ser tão eficazes em reagir com orgânicos que é difícil controlar a posição em que o átomo de flúor se insere em uma molécula de substrato. Vários reagentes foram desenvolvidos que são mais eficazes no fornecimento de fluorações controladas. Por exemplo, DAST (trifluoreto de dietilaminoenxofre) é comumente usado para converter carbonila e álcoois em seus derivados de flúor análogos. Um reagente ainda mais benigno é o SelectFluor [(1-clorometil-4-fluoro-1,4-diazoniabiciclo[2.2.2] bis(tetrafluoroborato] octano)], que é um reagente fluorante eletrofílico mais fácil de usar, pois é não volátil e estável ao ar/umidade.

O flúor é amplamente utilizado em produtos industriais; O escopo de produtos e compostos contendo flúor é notável. Os átomos de flúor são encontrados em:

• Produtos de consumo, como pasta de dente e água potável
• Medicamentos, antibióticos e anestésicos
• Refrigerantes de ar condicionado
• Aplicações de semicondutores para gravação a plasma
• Plásticos e polímeros de engenharia de alto desempenho

Em produtos farmacêuticos, a adição de átomos de flúor a moléculas de substrato pode aumentar o potencial de atividade terapêutica. Existem mais de 150 Ingredientes Farmacêuticos Ativos (APIs) que contêm átomos de flúor.  A adição de flúor a uma entidade terapêutica pode aumentar a estabilidade metabólica, a lipofilicidade e, assim, melhorar a biodisponibilidade.  Como resultado, reações de fluoração bem controladas e com alta especificidade são frequentemente usadas em pesquisa, desenvolvimento e produção farmacêutica. 

Nas reações de polimerização industrial, a adição de flúor a uma estrutura carbono-carbono cria um polímero com propriedades como resistência, durabilidade, inércia a produtos químicos e propriedades de superfície aprimoradas.  No nível molecular, a resistência da ligação CF é a chave para essas vantagens de desempenho e resulta no uso generalizado de fluoropolímeros usados na produção de juntas quimicamente resistentes, como politetrafluoretileno (PTFE) e fluoroelastômeros.  Em um exemplo de uma importante polimerização de fluoração, o clorofórmio reage com HF para formar clorodifluorometano, que é então aquecido para formar tetrafluoretileno e polimerizado sob alta pressão usando um iniciador de peróxido para produzir PTFE. 

As reações de fluoração são realizadas com reagentes nucleofílicos ou eletrofílicos. O gás flúor elementar é uma fonte comum de flúor eletrofílico, mas é altamente reativo, corrosivo e tóxico, exigindo equipamentos especializados e muito cuidado em seu uso. Além disso, é tão agressivo que é difícil controlar a especificidade da reação. Por esse motivo, vários compostos foram sintetizados que fornecem fluoreto eletrofílico com segurança e fornecem melhor especificidade de reação.  SelectFluor [1-Clorometil-4-fluoro-1,4-diazoniabiciclo[2.2.2]octano bis(tetrafluoroborato)] e NFSI [N –Fluorobenzenossulfonimida] fornecem flúor eletrofílico e são sólidos estáveis que permitem a fluoração de nucleófilos arila, por exemplo. 

As fluorações nucleofílicas são prontamente realizadas com compostos como DAST [trifluoreto de dietilaminoenxofre] ou XtalFluors. O DAST tem sido usado há muito tempo para fluorar álcoois, cetonas e ácidos carboxílicos e substituiu amplamente o reagente mais problemático, o gás tetrafluoreto de enxofre.  Agentes fluorantes nucleofílicos mais recentes, como XtalFluor-E e XtalFluor-M, são eficazes para substituir grupos hidroxila e carbonilas por flúor e eliminar alguns dos problemas associados ao DAST (como a liberação de HF).  

As reações de flúor e fluoração revolucionaram a indústria de polímeros ao criar famílias de produtos com características de desempenho excepcionais. As vantagens inerentes dos fluoropolímeros, incluindo a resistência ao ataque químico de ácidos e bases, surgem da força da ligação CC e da resistência ainda maior da ligação CF. Por exemplo, no PTFE, a posição dos átomos de flúor forma essencialmente uma bainha ao redor da estrutura do carbono, protegendo as ligações CC do ataque. Os fluoropolímeros são normalmente usados em aplicações químicas agressivas e de alta temperatura. Os fluoroelastômeros são o material preferido para juntas usadas nas indústrias química e aeroespacial. O baixo coeficiente de atrito dos fluoropolímeros os torna valiosos como lubrificantes especiais e em revestimentos.  

Os fluoropolímeros comumente usados incluem:

• PTFE (politetrafluoretileno) como isolamento de fios
• PFA (alcano perfluoroalcoxi) em tubulações e conexões na indústria química
• FEP (etileno propileno fluorado) como Filme Plástico de Laboratório e Liberação na Fabricação de Compósitos
• ETFE (etileno tetrafluoretileno) para aplicações de alta temperatura na indústria aeroespacial e aeronáutica
• PVDF (fluoreto de polivinilideno) como materiais de tubulação nas indústrias química e farmacêutica
• ECTFE (etileno clorotrifluoroetileno) para revestimentos eletrostáticos em pó de metais

Compreender a cinética e a termodinâmica das fluorações é importante para atingir os objetivos da reação e garantir a segurança da reação/processo químico. Dependendo do substrato, agente fluorante e condições de reação, as fluorações podem ser bastante energéticas e requerem monitoramento e controle cuidadosos; Isso é especialmente verdadeiro durante o aumento de escala da reação. Os reatores de síntese química e os calorímetros de reação fornecem controle preciso do reator, medem a energia da reação e modelam o efeito das variáveis no desempenho da reação. A FTIR e a espectroscopia Raman rastreiam e monitoram as principais espécies de reação para fornecer dados cinéticos, suporte para os mecanismos propostos e uma melhor compreensão de como as variáveis afetam o progresso e o desempenho geral da reação.  Quando é necessário obter uma amostra de reação para análise off-line, o EasySampler realiza amostragem automatizada, segura e autônoma. Os pesquisadores costumam usar reatores de síntese química em conjunto com espectroscopia e/ou EasySampler in situ para obter as informações necessárias para uma compreensão completa das reações e processos de fluoração.

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