Chimica del fluoro e della fluorurazione

Il fluoro è un gas altamente corrosivo e reattivo. Nella sua forma elementare, il fluoro è altamente tossico e deve essere maneggiato con cura. Il fluoro è un componente necessario di molti prodotti farmaceutici, prodotti chimici fini e polimeri.  Le reazioni di fluorurazione sono progettate per aggiungere fluoro alle molecole del substrato. Sono disponibili numerosi reagenti per eseguire la fluorurazione. Un reagente fluorurante comune è l'acido fluoridrico, ma è anche corrosivo, reattivo e deve essere usato con grande cura. L'altro problema con la fluorurazione con fluoro elementare o HF è la specificità. Tendono ad essere così efficaci nel reagire con le sostanze organiche che è difficile controllare la posizione in cui l'atomo di fluoro si inserisce in una molecola di substrato. Sono stati sviluppati numerosi reagenti che sono più efficaci nel fornire fluorurazioni controllate. Ad esempio, il DAST (trifluoruro di dietilamminozolfo) è comunemente usato per convertire il carbonile e gli alcoli nei loro analoghi derivati del fluoro. Un reagente ancora più benigno è SelectFluor [(1-clorometil-4-fluoro-1,4-diazoniabiciclo[2.2.2] ottano bis(tetrafluoroborato)], che è un reagente fluorurante elettrofilo più facile da usare, poiché non volatile e stabile all'aria e all'umidità.

Il fluoro è ampiamente utilizzato nei prodotti industriali; La portata dei prodotti e dei composti contenenti fluoro è notevole. Gli atomi di fluoro si trovano in:

• Prodotti di consumo, come dentifricio e acqua potabile
• Medicinali, antibiotici e anestetici
• Refrigeranti per aria condizionata
• Applicazioni dei semiconduttori per l'incisione al plasma
• Tecnopolimeri e plastiche ad alte prestazioni

In campo farmaceutico, l'aggiunta di atomi di fluoro alle molecole del substrato può aumentare il potenziale di attività terapeutica. Esistono più di 150 ingredienti farmaceutici attivi (API) che contengono atomi di fluoro.  L'aggiunta di fluoro a un'entità terapeutica può aumentare la stabilità metabolica, la lipofilia e quindi migliorare la biodisponibilità.  Di conseguenza, le reazioni di fluorurazione ben controllate e con un'elevata specificità sono spesso utilizzate nella ricerca, nello sviluppo e nella produzione farmaceutica. 

Nelle reazioni di polimerizzazione industriale, l'aggiunta di fluoro a una spina dorsale carbonio-carbonio crea un polimero con proprietà quali resistenza, durata, inerzia agli agenti chimici e migliori proprietà superficiali.  A livello molecolare, la forza del legame C-F è la chiave di questi vantaggi prestazionali e si traduce nell'uso diffuso di fluoropolimeri utilizzati nella produzione di guarnizioni chimicamente resistenti, come il politetrafluoroetilene (PTFE) e i fluoroelastomeri.  In un esempio di un'importante polimerizzazione fluorurata, il cloroformio viene fatto reagire con HF per formare clorodifluorometano, che viene poi riscaldato per formare tetrafluoroetilene e polimerizzato ad alta pressione utilizzando un iniziatore di perossido per produrre PTFE. 

Le reazioni di fluorurazione vengono eseguite con reagenti nucleofili o elettrofili. Il fluoro gassoso elementare è una fonte comune di fluoro elettrofilo, ma è altamente reattivo, corrosivo e tossico, richiede attrezzature specializzate e molta cura nel suo utilizzo. Inoltre, è così aggressivo che è difficile controllare la specificità della reazione. Per questo motivo, sono stati sintetizzati un certo numero di composti che forniscono in modo sicuro fluoruro elettrofilo e forniscono una migliore specificità di reazione.  SelectFluor [1-clorometil-4-fluoro-1,4-diazoniabiciclo[2.2.2]ottano bis(tetrafluoroborato)] e NFSI [N-fluorobenzensulfonimide] forniscono fluoro elettrofilo e sono entrambi solidi stabili che consentono la fluorurazione di nucleofili arilici, ad esempio. 

Le fluorurazioni nucleofile vengono facilmente eseguite con composti come DAST [trifluoruro di dietilamminozolfo] o XtalFluors. Il DAST è stato a lungo utilizzato per fluorurare alcoli, chetoni e acidi carbossilici e ha ampiamente sostituito il reagente più problematico, il gas tetrafluoruro di zolfo.  I nuovi agenti fluoruranti nucleofili, come XtalFluor-E e XtalFluor-M, sono efficaci per sostituire i gruppi ossidrilici e i carbonili con il fluoro ed eliminare alcuni dei problemi associati al DAST (come la liberazione di HF).  

Le reazioni di fluoro e fluorurazione hanno rivoluzionato l'industria dei polimeri creando famiglie di prodotti con caratteristiche prestazionali eccezionali. I vantaggi intrinseci dei fluoropolimeri, tra cui la resistenza all'attacco chimico di acidi e basi, derivano dalla forza del legame C-C e dalla forza ancora maggiore del legame C-F. Ad esempio, nel PTFE, la posizione degli atomi di fluoro forma essenzialmente una guaina attorno alla spina dorsale del carbonio, proteggendo i legami CC dall'attacco. I fluoropolimeri sono generalmente utilizzati in applicazioni chimiche difficili e ad alta temperatura. I fluoroelastomeri sono il materiale preferito per le guarnizioni utilizzate sia nell'industria chimica che in quella aerospaziale. Il basso coefficiente di attrito dei fluoropolimeri li rende preziosi come lubrificanti speciali e nei rivestimenti.  

I polimeri fluorescenti comunemente usati includono:

• PTFE (politetrafluoroetilene) come isolamento del filo
• PFA (perfluoroalcossi-alcano) nelle tubazioni e nei raccordi nell'industria chimica
• FEP (etilene propilene fluorurato) come pellicola di plastica per usura e rilascio nella produzione di compositi
• ETFE (etilene tetrafluoroetilene) per applicazioni ad alta temperatura nel settore aerospaziale e aeronautico
• PVDF (fluoruro di polivinilidene) come materiale per tubazioni nell'industria chimica e farmaceutica
• ECTFE (etilene clorotrifluoroetilene) per vernici in polvere elettrostatiche di metalli

Comprendere la cinetica e la termodinamica delle fluorurazioni è importante per raggiungere gli obiettivi di reazione e garantire la sicurezza della reazione/processo chimico. A seconda del substrato, dell'agente fluorurante e delle condizioni di reazione, le fluorurazioni possono essere piuttosto energetiche e richiedono un attento monitoraggio e controllo; Ciò è particolarmente vero durante lo scale-up della reazione. I reattori di sintesi chimica e i calorimetri di reazione forniscono un controllo preciso del reattore, misurano l'energia della reazione e modellano l'effetto delle variabili sulle prestazioni della reazione. La spettroscopia FTIR e Raman traccia e monitora le specie chiave di reazione per fornire dati cinetici, supporto per i meccanismi proposti e una migliore comprensione di come le variabili influenzano l'andamento e le prestazioni complessive della reazione.  Quando è necessario ottenere un campione di reazione per l'analisi offline, EasySampler esegue campionamenti automatizzati, sicuri e non presidiati. I ricercatori utilizzano spesso reattori di sintesi chimica in combinazione con la spettroscopia e/o EasySampler in situ campionamento per ottenere le informazioni necessarie per una comprensione approfondita delle reazioni e dei processi di fluorurazione.

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