氟是一種高腐蝕性、反應性氣體。氟的元素形式具有劇毒，必須小心處理。氟是許多藥品、精細化學品和聚合物的必要成分。 氟化反應旨在將氟添加到底物分子中。有許多試劑可用於完成氟化。常見的氟化試劑是氫氟酸，但它也具有腐蝕性、反應性，必須非常小心使用。用元素氟或 HF 氟化的另一個問題是特異性。它們在與有機物反應方面往往非常有效，以至於很難控制氟原子插入底物分子中的位置。已經開發出許多試劑，它們在提供受控氟化方面更有效。例如，DAST（二乙氨基硫三氟化物）通常用於將羰基和醇轉化為其類似的氟衍生物。一種更良性的試劑是 SelectFluor [（1-氯甲基-4-氟-1,4-二唑雙環[2.2.2] 辛烷雙（四氟硼酸鹽）]，它是一種親電氟化試劑，更易於使用，因為它不揮發且空氣/水分穩定。
什麼是氟和氟化物？
為什麼氟和氟化反應很重要？
氟廣泛應用於工業產品中;含氟產品和化合物的範圍非常顯著。氟原子存在於：
- 消費品，例如牙膏和飲用水
- 藥物、抗生素和麻醉劑
- 空調製冷劑
- 等離子體蝕刻的半導體應用
- 高性能工程塑膠和聚合物
在製藥中，在底物分子中添加氟原子可以增加治療活性的潛力。含有氟原子 的活性藥物成分 （API） 有 150 多種。在治療實體中添加氟可以提高代謝穩定性、親脂性，從而提高生物利用度。 因此，控制良好、具有高特異性的氟化反應經常用於藥物研究、開發和生產。
在工業 聚合反應中，將氟添加到碳-碳主鏈中會產生具有強度、耐用性、對化學品惰性和改善表面性能等特性的聚合物。 在分子層面上，CF 鍵的強度是這些性能優勢的關鍵，並導致用於生產耐化學性墊圈的含氟聚合物的廣泛使用， 如聚四氟乙烯（PTFE）和氟彈性體。 在重要的氟化聚合的一個例子中，氯仿與HF反應形成氯二氟甲烷，然後加熱形成四氟乙烯，並使用過氧化物引發劑在高壓下聚合產生PTFE。
氟化反應和試劑的類型
親核和親電試劑
氟化反應用親核或親電試劑進行。元素氟氣是親電氟的常見來源，但它具有高反應性、腐蝕性和毒性，需要專門的設備和小心使用。此外，它的侵蝕性如此之大，以至於很難控制反應特異性。因此，已經合成了許多化合物，可以安全地提供親電氟化物並提供更好的反應特異性。 SelectFluor [1-氯甲基-4-氟-1,4-二唑雙環[2.2.2]辛烷雙（四氟硼酸鹽）] 和 NFSI [N –氟苯磺酰亞胺] 提供親電氟，並且都是穩定的固體，例如能夠對芳基親核試劑進行氟化。
親核氟化很容易用 DAST [二乙基氨基硫三氟化物] 或 XtalFluors 等化合物進行。DAST 長期以來一直用於氟化醇、酮和羧酸，並在很大程度上取代了問題更嚴重的反應物四氟化硫氣體。 較新的親核氟化劑，如 XtalFluor-E 和 XtalFluor-M，可有效用氟取代羥基和羰基，並消除與 DAST 相關的一些問題（例如釋放 HF）。
含氟聚合物
氟和氟化反應創造了具有卓越性能特徵的產品系列，徹底改變了聚合物產業。含氟聚合物的固有優勢，包括耐酸和鹼的化學侵蝕，源於 C-C 鍵的強度和 C-F 鍵的更大強度。例如，在 PTFE 中，氟原子的位置本質上在碳主鏈周圍形成護套，保護 CC 鍵免受攻擊。含氟聚合物通常用於嚴苛的化學和高溫應用。氟彈性體是化學和航空航太工業中使用的墊圈的首選材料。含氟聚合物的低摩擦係數使其作為特種潤滑劑和塗料具有價值。
常用的含氟聚合物包括：
- PTFE（聚四氟乙烯）作為電線絕緣層
- 化學工業管道和配件中的 PFA（全氟烷氧基烷烴）
- FEP（氟化乙烯丙烯）作為複合材料製造中的塑料實驗室服和離型膜
- ETFE（乙烯四氟乙烯）用於航空航天高溫應用
- PVDF（聚偏二氟乙烯）作為化學和製藥行業的管道材料
- ECTFE（三氟乙烯）用於金屬靜電粉末塗料
氟化反應和氟化學技術
了解氟化的動力學和熱力學對於實現反應目標和確保反應/化學過程安全非常重要。根據底物、氟化劑和反應條件的不同，氟化可能非常高能，需要仔細監測和控制;在反應放大期間尤其如此。 化學合成反應器和反應量熱儀 提供精確的反應器控制、測量反應能量並模擬變量對反應性能的影響。FTIR 和拉曼光譜追蹤和監測關鍵反應物質，以提供動力學數據、對建議機制的支持，並更好地了解變數如何影響整體反應進度和性能。 當需要取得反應樣品進行離線分析時，EasySampler 會執行自動化、安全和無人值守的採樣。 研究人員經常將化學合成反應器與光譜學和/或 EasySampler 原位結合使用取樣以獲得徹底了解氟化反應和過程所需的信息。
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應用
C-F 鍵裂解導致有機親電子試劑的親核氟化
作者描述了一種反應，其中來自全氟配體的氟轉移到親電子試劑，這導致合成一種新的氟化化合物和單氟化有機銻絡物的二聚化版本。 這種轉移源於 CF 鍵激活，以前由於鍵的強度而被認為難以實現。 切斷銠絡合物配體中的 CF 鍵 [（η5 ，κ2C−C 5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe）−RhCl] 釋放親核氟化物並將甲酰氯親電子試劑的酰基部分轉化為酰基氟化物，並導致金屬環化合物的形成。
研究人員研究了氟化物轉移到其他底物（包括酸酐 ）。在一項實驗中，ReactIR 跟踪了氟化物向乙酸酐的轉移。他們報告說，酸酐 C-O 帶 （1268cm-1） 和銠配合物 [（η5，κ2C−C5Me4CH2C6F5CH2NC3H2NMe）−RhCl] CF 帶 （1386 cm-1） 的強度減小，同時由酰基氟化物 CF 鍵 （1346 cm-1） 產生的新帶強度成比例增加。 這支持觀察氟化物從一種底物轉移到另一個。
Patrick J. Morgan、Magnus WD Hanson-Heine、Hayden P. Thomas、Graham C. Saunders、Andrew C. Marr、Peter Licence，“全氟配體的 C−F 鍵激活導致有機親電子試劑的親核氟化”，有機金屬學，2020 年， https：//dx.doi.org/10.1021/acs.organomet.0c00176
從仲胺和異硫氰化物合成 N-烷基/芳基和 N-CF3 氨基甲酰氟
作者描述了一種在室溫下製備 AgOCF3 的方法，並展示了其在三氟甲氧基化和作為羰基氟化物來源 （O=CF2） 中的能力。 這使得能夠從仲胺和異硫氰化物合成 N-烷基/芳基和 N-CF3 氨基甲酰氟。
為了更好地了解鹽釋放 O=CF2 的機制，啟動了許多實驗。 ReactIR 測量表明，鹽在加熱時不會釋放 O=CF2 ，並且鹽溶液在 50°C 下穩定數小時。 當引入異硫氰酸酯時，ReactIR 測量顯示與 AgOCF3 相關的 974 cm-1 帶減少，而在 1245 cm-1 處形成 O=CF2 的帶。 研究人員將各種異硫氰酸酯與 AgOCF3 進行反應，以確定是否可以識別 N-CF3 氨基甲酰基部分。 他們觀察到兩個新的紅外帶出現：在脫硫產物 R-N-C=CF2 的 1641 cm-1 處和N-CF1848 氨基甲酰基 甲酰的 1 cm-3。
總結：ReactIR 測量表明，AgOCF3 在被親核共試劑激活之前不會釋放 O=CF2 ，這支持了研究人員對鹽穩定性的觀察。 這使得從仲胺和異硫氰化物中合成了多種氨基甲酰氟化物。
Abdurrahman Turksoy、Thomas Scattolin、Samir Bouayad-Gervais，“輕鬆獲得 AgOCF3 及其作為 OCF2 儲層的新應用，用於直接合成 N−CF3、芳基或烷基氨基甲酰氟化物”，Chem. Euro. J.，2020 年，https://doi.org/10.1002/chem.202000116
公佈欄
最近與氟和氟化化學相關的出版物
- Masafumi Sugiyama、Midori Akiyama、Kohei Nishiyama、Takashi Okazoe、Kyoko Nozak，“從二氧化碳作為羰基源合成氟化二烷基碳酸鹽”，ChemSusChem，2020 年，https://doi.org/10.1002/cssc.202000090
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- Thomas Scattolin、Kristina Deckers、Franziska Schoenebeck，“使用台架穩定固體試劑 （Me4N）SCF3 直接合成羧酸酰氟化物”，Org. Lett. 2017， 19， 5740−5743
- Alyssa M. Hua、Duy N. Mai、Ramon Martinez、Ryan D. Baxter，“使用未受保護的氨基酸作為自由基前體的自由基 C−H 氟化”，Org. Lett. 2017， 19（11） 2949-2952
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- 徐濤，吳奕辰，袁哲良，關海榮，劉國生，“炔炔銀催化氧化分子內氨基氟化的機理研究”，有機金屬學， 2016,35（10），1347-1349
- Antal Harsanyi 和 Graham Sandford，“用於生命科學合成的氟氣：評估選擇性直接氟化合成 2-氟甲酸酯的綠色指標”，Green Chem.，2015， 17， 3000–3009
- 張鵬，Christian Wolf 博士， “醛的催化對映選擇性二氟烷基化”，Angew。化學，2013，https：//doi.org/10.1002/anie.201303551
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