Fluor och fluoreringskemi

Fluor är en mycket frätande, reaktiv gas. I sin elementära form är fluor mycket giftigt och måste hanteras försiktigt. Fluor är en nödvändig komponent i många läkemedel, finkemikalier och polymerer.  Fluoreringsreaktioner är utformade för att tillföra fluor till substratmolekyler. Det finns ett antal reagenser tillgängliga för att åstadkomma fluorering. Ett vanligt fluorerande reagens är fluorvätesyra, men det är också frätande, reaktivt och måste användas med stor försiktighet. Det andra problemet med fluorering med elementärt fluor eller HF är specificitet. De tenderar att vara så effektiva på att reagera med organiska ämnen att det är svårt att kontrollera den position där fluoratomen infogas i en substratmolekyl. Ett antal reagenser har utvecklats som är mer effektiva när det gäller att ge kontrollerade fluoreringar. Till exempel används DAST (dietylaminosvaveltrifluorid) ofta för att omvandla karbonyl och alkoholer till deras analoga fluorderivat. Ett ännu mer godartat reagens är SelectFluor [(1-klormetyl-4-fluor-1,4-diazoniabicyklo[2.2.2] oktan bis(tetrafluoroborat)], som är ett elektrofilt fluorerande reagens som är lättare att använda, eftersom det är icke-flyktigt och luft-/fuktstabilt.

Fluor används i stor utsträckning i industriprodukter; Omfattningen av produkter och föreningar som innehåller fluor är anmärkningsvärd. Fluoratomer finns i:

• Konsumentprodukter, såsom tandkräm och dricksvatten
• Läkemedel, antibiotika och bedövningsmedel
• Köldmedier för luftkonditionering
• Halvledartillämpningar för plasmaetsning
• Högpresterande, konstruerade plaster och polymerer

I läkemedel kan tillsats av fluoratomer till substratmolekyler öka potentialen för terapeutisk aktivitet. Det finns mer än 150 aktiva farmaceutiska ingredienser (API) som innehåller fluoratomer.  Att tillsätta fluor till en terapeutisk enhet kan öka metabolisk stabilitet, lipofilicitet och därmed förbättra biotillgängligheten.  Som ett resultat används ofta välkontrollerade fluoreringsreaktioner med hög specificitet inom farmaceutisk forskning, utveckling och produktion. 

I industriella polymerisationsreaktioner skapar tillsats av fluor till en kol-kol-ryggrad en polymer med egenskaper som styrka, hållbarhet, tröghet mot kemikalier och förbättrade ytegenskaper.  På molekylär nivå är styrkan hos C-F-bindningen nyckeln till dessa prestandafördelar och resulterar i den utbredda användningen av fluorpolymerer som används för att producera kemiskt resistenta packningar, såsom polytetrafluoreten (PTFE) och fluorelastomerer.  I ett exempel på en viktig fluoreringspolymerisation reagerar kloroform med HF för att bilda klordifluormetan, som sedan värms upp till tetrafluoreten och polymeriseras under högt tryck med hjälp av en peroxidinitiator för att ge PTFE. 

Fluoreringsreaktioner utförs antingen med nukleofila eller elektrofila reagenser. Elementär fluorgas är en vanlig källa till elektrofil fluor, men den är mycket reaktiv, frätande och giftig, vilket kräver specialutrustning och mycket försiktighet vid användningen. Dessutom är den så aggressiv att det är svårt att kontrollera reaktionsspecificiteten. Av denna anledning har ett antal föreningar syntetiserats som på ett säkert sätt ger elektrofil fluorid och ger bättre reaktionsspecificitet.  SelectFluor [1-klormetyl-4-fluor-1,4-diazoniacyklo[2.2.2]oktan bis(tetrafluoroborat)] och NFSI [N –fluorbensensulfonimid] tillhandahåller elektrofil fluor och är båda stabila fasta ämnen som möjliggör fluorering av till exempel arylnukleofiler. 

Nukleofila fluoreringar utförs lätt med föreningar som DAST [dietylaminosvaveltrifluorid] eller XtalFluors. DAST har länge använts för att fluorera alkoholer, ketoner och karboxylsyror, och hade till stor del ersatt den mer problematiska reaktanten, svaveltetrafluoridgas.  Nyare nukleofila fluoreringsmedel, såsom XtalFluor-E och XtalFluor-M, är effektiva för att ersätta hydroxylgrupper och karbonyler med fluor och eliminera några av de problem som är förknippade med DAST (som att frigöra HF).  

Fluor- och fluoreringsreaktioner revolutionerade polymerindustrin genom att skapa familjer av produkter med exceptionella prestandaegenskaper. De inneboende fördelarna med fluorpolymerer, inklusive motståndskraft mot kemiska angrepp av syror och baser, härrör från styrkan hos C-C-bindningen och den ännu större styrkan hos C-F-bindningen. Till exempel, i PTFE, bildar fluoratomernas position i huvudsak ett hölje runt kolets ryggrad, vilket skyddar C-C-bindningarna från attack. Fluorpolymerer används vanligtvis i tuffa kemiska och högtemperaturapplikationer. Fluorelastomerer är att föredra för packningar som används inom både kemi- och flygindustrin. Den låga friktionskoefficienten hos fluorpolymerer gör dem värdefulla som specialsmörjmedel och i beläggningar.  

Vanligt använda fluorpolymerer inkluderar:

• PTFE (polytetrafluoreten) som trådisolering
• PFA (perfluoralkoxialkan) i rörledningar och montering inom den kemiska industrin
• FEP (fluorerad etylenpropen) som laboratorie- och släppfilm av plast vid komposittillverkning
• ETFE (etylentetrafluoreten) för högtemperaturapplikationer inom flyg- och rymdindustrin
• PVDF (polyvinylidenfluorid) som rörmaterial inom kemi- och läkemedelsindustrin
• ECTFE (etylenklortrifluoretylen) för elektrostatiska pulverbeläggningar av metaller

Att förstå kinetiken och termodynamiken för fluoreringar är viktigt för att uppnå reaktionsmål och för att säkerställa reaktions-/kemisk processäkerhet. Beroende på substrat, fluoreringsmedel och reaktionsförhållanden kan fluoreringar vara ganska energiska och kräva noggrann övervakning och kontroll; Detta gäller särskilt under uppskalning av reaktioner. Kemiska syntesreaktorer och reaktionskalorimetrar ger exakt reaktorkontroll, mäter reaktionsenergier och modellerar effekten av variabler på reaktionsprestanda.  FTIR och Raman-spektroskopi spårar och övervakar viktiga reaktionsarter för att tillhandahålla kinetikdata, stöd för föreslagna mekanismer och en bättre förståelse för hur variabler påverkar det totala reaktionsförloppet och prestandan.  När det är nödvändigt att få ett reaktionsprov för offlineanalys utför EasySampler automatiserad, säker och obevakad provtagning. Forskare använder ofta kemiska syntesreaktorer i kombination med spektroskopi och/eller EasySampler in situ Provtagning för att få den information som krävs för en grundlig förståelse av fluoreringsreaktioner och processer.

Visa en live eDemo från ditt arbets- eller hemmakontor enligt ditt schema.