Фтор и химия фторирования

Фтор является высококоррозионным, химически активным газом. В своей элементарной форме фтор очень токсичен и с ним нужно обращаться осторожно. Фтор является необходимым компонентом многих фармацевтических препаратов, тонких химических веществ и полимеров.  Реакции фторирования предназначены для добавления фтора к молекулам субстрата. Существует ряд реагентов для проведения фторирования. Распространенным фторирующим реагентом является фтористоводородная кислота, но она также является коррозионной, реакционноспособной и должна использоваться с большой осторожностью. Другой проблемой фторирования с помощью элементарного фтора или HF является специфичность. Они, как правило, настолько эффективны в реакции с органическими веществами, что трудно контролировать положение, в котором атом фтора встраивается в молекулу субстрата. Был разработан ряд реагентов, которые более эффективны для обеспечения контролируемого фторирования. Например, DAST (трифторид диэтиламиносеры) обычно используется для преобразования карбонилов и спиртов в их аналогичные фторпроизводные. Еще более щадящим реагентом является SelectFluor [(1-хлорметил-4-фтор-1,4-диазониабицикло[2.2.2] октановое число бис(тетрафторборат)], который представляет собой электрофильный фторирующий реагент, который проще в использовании, поскольку он нелетуч и устойчив к воздуху/влаге.

Фтор широко используется в промышленных продуктах; Область применения продуктов и соединений, содержащих фтор, поражает воображение. Атомы фтора содержатся в:

• Потребительские товары, такие как зубная паста и питьевая вода
• Лекарства, антибиотики и анестетики
• Хладагенты для кондиционирования воздуха
• Применение полупроводников для плазменного травления
• Высокоэффективные инженерные пластики и полимеры

В фармацевтике добавление атомов фтора к молекулам субстрата может увеличить потенциал терапевтической активности. Существует более 150 активных фармацевтических ингредиентов (АФИ), содержащих атомы фтора.  Добавление фтора в терапевтическое вещество может повысить метаболическую стабильность, липофильность и тем самым улучшить биодоступность.  В результате, хорошо контролируемые реакции фторирования, обладающие высокой специфичностью, часто используются в фармацевтических исследованиях, разработках и производстве. 

В реакциях промышленной полимеризации добавление фтора в углерод-углеродную основу создает полимер с такими свойствами, как прочность, долговечность, инертность к химическим веществам и улучшенные свойства поверхности.  На молекулярном уровне прочность связи C-F является ключом к этим эксплуатационным преимуществам и приводит к широкому использованию фторполимеров, используемых в производстве химически стойких прокладок. такие как политетрафторэтилен (ПТФЭ) и фторэластомеры. В  качестве примера важной полимеризации фторирования хлороформ реагирует с HF с образованием хлордифторметана, который затем нагревают с образованием тетрафторэтилена и полимеризуют под высоким давлением с использованием пероксидного инициатора с образованием ПТФЭ. 

Реакции фторирования проводятся либо с нуклеофильными, либо с электрофильными реагентами. Элементарный газообразный фтор является распространенным источником электрофильного фтора, но он обладает высокой реакционной способностью, коррозионной и токсичностью, требует специализированного оборудования и большой осторожности при его использовании. Кроме того, он настолько агрессивен, что специфичность реакции трудно контролировать. По этой причине был синтезирован ряд соединений, которые безопасно обеспечивают электрофильный фторид и обеспечивают лучшую специфичность реакции.  SelectFluor [1-хлорметил-4-фтор-1,4-диазониабицикло[2.2.2]октан бис(тетрафторборат)] и NFSI [N-фторбензолсульфонимид] обеспечивают электрофильный фтор и оба являются стабильными твердыми веществами, которые позволяют, например, фторирование арилнуклеофилов. 

Нуклеофильное фторирование легко выполняется с помощью таких соединений, как DAST [трифторид диэтиламиносеры] или XtalFluors. DAST долгое время использовался для фторирования спиртов, кетонов и карбоновых кислот и в значительной степени заменил более проблемный реагент, газообразный тетрафторид серы.  Новые нуклеофильные фторирующие агенты, такие как XtalFluor-E и XtalFluor-M, эффективны для замены гидроксильных групп и карбонилов фтором и устраняют некоторые проблемы, связанные с DAST (например, высвобождение HF).  

Реакции фтора и фторирования произвели революцию в полимерной промышленности, создав семейства продуктов с исключительными эксплуатационными характеристиками. Неотъемлемые преимущества фторполимеров, в том числе устойчивость к химическому воздействию кислот и оснований, обусловлены прочностью связи C-C и еще большей прочностью связи C-F. Например, в ПТФЭ расположение атомов фтора по существу образует оболочку вокруг углеродной основы, защищая связи C-C от атаки. Фторполимеры обычно используются в жестких химических и высокотемпературных условиях. Фторэластомеры являются предпочтительным материалом для прокладок, используемых как в химической, так и в аэрокосмической промышленности. Низкий коэффициент трения фторполимеров делает их ценными в качестве специальных смазочных материалов и в покрытиях.  

К обычно используемым фторполимерам относятся:

• ПТФЭ (политетрафторэтилен) в качестве изоляции проводов
• PFA (перфторалкоксиалкан) в трубопроводах и фитингах в химической промышленности
• FEP (фторированный этиленпропилен) в качестве пластиковой лабораторной одежды и разделительной пленки в производстве композитов
• ETFE (этилентетрафторэтилен) для высокотемпературных применений в аэрокосмической и авиационной промышленности
• ПВДФ (поливинилиденфторид) в качестве материалов для трубопроводов в химической и фармацевтической промышленности
• ECTFE (этиленхлортрифторэтилен) для электростатических порошковых покрытий металлов

Понимание кинетики и термодинамики фторирования важно для достижения целей реакции и обеспечения безопасности реакции/химического процесса. В зависимости от субстрата, фторирующего агента и условий реакции, фторирование может быть довольно энергичным и требовать тщательного мониторинга и контроля;  Реакторы химического синтеза и реакционные калориметры обеспечивают точное управление реактором, измеряют энергетику реакции и моделируют влияние переменных на протекание реакции. ИК-Фурье спектроскопия и рамановская спектроскопия отслеживают и контролируют ключевые вещества реакции, чтобы получить данные о кинетике, поддержку предложенных механизмов и лучшее понимание того, как переменные влияют на общий ход и производительность реакции.  Когда необходимо получить образец реакции для анализа в автономном режиме, EasySampler выполняет автоматизированный, безопасный и автоматический отбор проб. Исследователи часто используют реакторы химического синтеза в сочетании со спектроскопией и/или EasySampler in situ отбор проб для получения информации, необходимой для полного понимания реакций и процессов фторирования.

Просматривайте онлайн-демонстрацию из рабочего или домашнего офиса по своему расписанию.