Fluor og fluoreringskemi

Fluor er en stærkt ætsende, reaktiv gas. I sin elementære form er fluor meget giftigt og skal håndteres omhyggeligt. Fluor er en nødvendig komponent i mange lægemidler, finkemikalier og polymerer.Fluoreringsreaktioner  er designet til at tilsætte fluor til substratmolekyler. Der findes en række reagenser til at opnå fluoreringer. Et almindeligt fluorerende reagens er flussyre, men det er også ætsende, reaktivt og skal bruges med stor forsigtighed. Det andet problem med fluorering med elementær fluor eller HF er specificitet. De har en tendens til at være så effektive til at reagere med organiske stoffer, at det er vanskeligt at kontrollere den position, som fluoratomet indsættes på i et substratmolekyle. Der er udviklet en række reagenser, der er mere effektive til at give kontrollerede fluoreringer. For eksempel bruges DAST (diethylaminosulfurtrifluorid) almindeligvis til at omdanne carbonyl og alkoholer til deres analoge fluorderivater. Et endnu mere godartet reagens er SelectFluor [(1-chlormethyl-4-fluoro-1,4-diazoniabicyclo[2.2.2] octane bis(tetrafluoroborat)], som er et elektrofilt fluorerende reagens, der er lettere at bruge, da det er ikke-flygtigt og luft/fugtstabilt.

Fluor bruges i vid udstrækning i industriprodukter; Omfanget af produkter og forbindelser, der indeholder fluor, er bemærkelsesværdigt. Fluoratomer findes i:

• Forbrugerprodukter, såsom tandpasta og drikkevand
• Medicin, antibiotika og bedøvelsesmidler
• Kølemidler til klimaanlæg
• Halvlederapplikationer til plasmaætsning
• Højtydende, konstrueret plast og polymerer

I lægemidler kan tilsætning af fluoratomer til substratmolekyler øge potentialet for terapeutisk aktivitet. Der er mere end 150 aktive farmaceutiske ingredienser (API'er), der indeholder fluoratomer.  Tilsætning af fluor til en terapeutisk enhed kan øge metabolisk stabilitet, lipofilicitet og derved forbedre biotilgængeligheden.  Som følge heraf anvendes velkontrollerede fluoreringsreaktioner med høj specificitet ofte i farmaceutisk forskning, udvikling og produktion. 

I industrielle polymerisationsreaktioner skaber tilsætning af fluor til en kulstof-kulstof-rygrad en polymer med egenskaber som styrke, holdbarhed, inaktivitet over for kemikalier og forbedrede overfladeegenskaber.  På molekylært niveau er styrken af CF-bindingen nøglen til disse præstationsfordele og resulterer i den udbredte anvendelse af fluorpolymerer, der anvendes til fremstilling af kemisk resistente pakninger. I  et eksempel på en vigtig fluoreringspolymerisation reageres chloroform med HF for at danne chlordifluormethan, som derefter opvarmes til tetrafluorethylen og polymeriseres under højt tryk ved hjælp af en peroxidinitiator for at give PTFE. 

Fluoreringsreaktioner udføres enten med nukleofile eller elektrofile reagenser. Elementær fluorgas er en almindelig kilde til elektrofil fluor, men den er meget reaktiv, ætsende og giftig, hvilket kræver specialudstyr og meget omhu i brugen. Desuden er den så aggressiv, at det er vanskeligt at kontrollere reaktionsspecificiteten. Af denne grund er der blevet syntetiseret en række forbindelser, der sikkert giver elektrofil fluorid og giver bedre reaktionsspecificitet.  SelectFluor [1-chlormethyl-4-fluoro-1,4-diazoniabicyclo[2.2.2]oktantal bis(tetrafluoroborat)] og NFSI [N -fluorbenzensulfonimid] giver elektrofil fluor og er begge stabile faste stoffer, der muliggør fluorering af arylnukleofiler, for eksempel. 

Nukleofile fluorineringer udføres let med forbindelser såsom DAST [diethylaminosulfurtrifluorid] eller XtalFluors. DAST har længe været brugt til at fluorere alkoholer, ketoner og carboxylsyrer og har stort set erstattet den mere problematiske reaktant, svovltetrafluoridgas.  Nyere nukleofile fluoreringsmidler, såsom XtalFluor-E og XtalFluor-M, er effektive til at erstatte hydroxylgrupper og carbonyler med fluor og eliminere nogle af de problemer, der er forbundet med DAST (såsom frigivelse af HF).  

Fluor- og fluoreringsreaktioner revolutionerede polymerindustrien ved at skabe produktfamilier med exceptionelle ydeevneegenskaber. De iboende fordele ved fluorpolymerer, herunder modstandsdygtighed over for kemiske angreb fra syrer og baser, skyldes styrken af C-C-bindingen og den endnu større styrke af C-F-bindingen. For eksempel, i PTFE, danner placeringen af fluoratomerne i det væsentlige en kappe omkring kulstofrygraden, der beskytter CC-bindingerne mod angreb. Fluorpolymerer bruges typisk i barske kemiske og højtemperaturapplikationer. Fluorelastomerer er det foretrukne materiale til pakninger, der anvendes i både den kemiske industri og luftfartsindustrien. Den lave friktionskoefficient for fluorpolymerer gør dem værdifulde som specialsmøremidler og i belægninger.  

Almindeligt anvendte fluorpolymerer omfatter:

• PTFE (polytetrafluorethylen) som trådisolering
• PFA (perfluoralkoxyalkan) i rørledninger og fittings i den kemiske industri
• FEP (fluoreret ethylenpropylen) som plastlaboratorietøj og frigivelsesfilm i kompositfremstilling
• ETFE (ethylentetrafluorethylen) til højtemperaturapplikationer inden for luftfart og luftfart
• PVDF (polyvinylidenfluorid) som rørmaterialer i den kemiske og farmaceutiske industri
• ECTFE (ethylenchlortrifluorethylen) til elektrostatisk pulverlakering af metaller

Forståelse af kinetik og termodynamik af fluorineringer er vigtig for at nå reaktionsmål og for at sikre reaktions-/kemisk processikkerhed. Afhængigt af substrat, fluoreringsmiddel og reaktionsbetingelser kan fluoreringer være ret energiske og kræve omhyggelig overvågning og kontrol; Dette gælder især under reaktionsopskalering.Kemiske syntesereaktorer og reaktionskalorimetre leverer præcis reaktorkontrol, måler reaktionsenergi og modellerer effekten af variabler på reaktionsydelsen. FTIR og Raman Spektroskopi sporer og overvåger vigtige reaktionsarter for at give kinetiske data, understøttelse af foreslåede mekanismer og en bedre forståelse af, hvordan variabler påvirker den samlede reaktionsfremdrift og ydeevne.  Når det er nødvendigt at få en reaktionsprøve til offline-analyse, udfører EasySampler automatiseret, sikker og uovervåget prøveudtagning. Forskere bruger ofte kemiske syntesereaktorer i forbindelse med spektroskopi og/eller EasySampler in situ prøveudtagning for at opnå de oplysninger, der er nødvendige for en grundig forståelse af fluoreringsreaktioner og -processer.

Se en Live eDemo fra dit arbejde eller hjemmekontor efter din tidsplan.