Organofluoridy

Příklady organofluoridů
A: fluormethan
B: isofluran
C: dichlordifluormethan
D: 1,1,1,2-tetrafluorethan
E: kyselina trifluormethansulfonová
F: polytetrafluorethylen
G: perfluoroktansulfonát (PFOS)
H: fluoruracil
I: fluoxetin

Organofluoridy jsou organické sloučeniny obsahující ve svých molekulách vazby uhlík–fluor. Mají mnoho různých využití, od odpuzování vody po léčiva, chladiva a katalyzátory. Některé z těchto sloučenin přispívají k poškozování ozonové vrstvy a globálnímu oteplování, případně se hromadí v organismech a jsou toxické. Při jejich používání jsou často nutné zvláštní postupy pro nakládání s fluoračními činidly.

Vazba uhlík–fluor

Šablona:Podrobně Fluor se v několika ohledech liší od ostatních substituentů vyskytujících se v organických molekulách. Fyzikální i chemické vlastnosti organofluoridů jsou tak mnohdy odlišné od ostatních halogenderivátů.

1. Vazba uhlík–fluor je jednou z nejsilnějších v organické chemii, s průměrnou energií okolo 480 kJ/mol. Je tak výrazně silnější než vazby uhlíku s ostatními halogeny (například energie vazeb C-Cl se pohybují kolem 320 kJ/mol), čímž propůjčuje organofluoridům vysokou tepelnou a chemickou stálost.
2. Tato vazba je krátká (kolem 140 pm).
3. Van der Waalsův poloměr fluorového substituentu je pouze 147 pm,, tedy nejmenší ze všech heteroatomů a poměrně blízký vodíku (120 pm). Toto společně s malou délkou vazeb C-F vysvětluje, proč se u polyfluorovaných sloučenin nevyskytuje sterické napětí a také je další příčinou tepelné stability. Fluorové substituenty u polyfluorovaných sloučenin účinně stíní uhlíkovou kostru a zabraňují tak atakům různých činidel, což jim dodává vysokou chemickou stabilitu.
4. Fluor má nejvyšší elektronegativitu: 3,98. Vazby C-F tak mívají velké dipólové momenty (1,41 D).
5. Atomy fluoru mají nejnižší polarizovatelnost: 0,56 $\times$10⁻²⁴ cm³. disperzní síly mezi polyfluorovanými sloučeninami jsou tak velmi slabé a při fluoracích tak často dochází ke snížení teploty varu a navýšení hydrofobicity a lipofobicity oproti ostatním organohalogenidům, které jsou lipofilnější.

Na rozdíl od arylchloridů a arylbromidů arylfluoridy obtížně vytvářejí Grignardova činidla. Arylfluoridy, jako jsou například fluoroaniliny a fluorofenoly, se mnohdy účastní nukleofilních substitucí.

Druhy organofluoridů

Fluorouhlíky

Fluorouhlíky, neboli perfluorované uhlovodíky, obsahují pouze atomy uhlíku a fluoru. Mohou být, v závislosti na molární hmotnosti, plynné, kapalné i pevné. Nejjednodušším zástupcem této skupiny je plynný tetrafluormethan (CF₄). Kapalné skupenství mají například perfluoroktan a perfluordekalin. Fluorouhlíky s jednoduchými vazbami jsou stabilní, nenasycené vykazují vyšší reaktivitu, obzvláště pokud obsahují trojné vazby. Fluorourovodíky jsou chemicky i tepelně stálejší než uhlovodíky, protože vazby C-F jsou málo reaktivní; také se vyznačují výraznou lipofobicitou. Omezené Van der Waalsovy síly dodávají některým fluorouhlíkům využití v mazivech a někdy i vysokou těkavost. Kapalné fluorouhlíky mají využití v lékařství jako přenašeče kyslíku.

Struktury organofluoridů se mohou lišit. Perfluorované sloučeniny mají snahu se vyskytovat odděleně od uhlovodíků, tato vlastnost se využívá například u kyseliny perfluoroktanové při zpracování fluoropolymerů. Aromatické perfluorované uhlovodíky na rozdíl od alifatických obvykle s nefluorovanými sloučeninami vytvářejí směsi, ve kterých se objevují donor-akceptorové interakce pí-systémů.

Oddělení alkylových a perfluoralkylových sloučenin

Struktura pentafluortolanu (C₆F₅CCC₆H₅) se znázorněním donor-akceptorových interakcí mezi fluorovanými a nefluorovanými kruhy

Fluoropolymery

Existuje řada fluorovaných polymerů, od plně fluorovaných, jako je polytetrafluorethylen (PTFE) po částečně fluorované, například polyvinylidenfluorid ([CH₂CF₂]_n) a polychlortrifluorethylen ([CFClCF₂]_n). Evropská unie částečně fluorované uhlovodíky (HFC) označuje jako F-plyny a připravila zákaz budoucího používání těchto plynů.

Fluorované uhlovodíky

Fluorované uhlovodíky, organické sloučeniny obsahující atomy fluoru a vodíku, jsou nejrozšířenější skupinou organofluoridů. Používají se nappříklad v klimatizačních přístrojích a jako chladiva, kde nahrazují dříve používané chlorfluorované uhlovodíky, jako je dichlordifluormethan, a hydrochlorfluorované uhlovodíky, jako dichlorfluormethan. Mají menší vliv na poškozování ozonové vrstvy, ovšem působí jako skleníkové plyny.

Fluorouhlovodíky s nízkým počtem vazeb C-F se chovají podobně jako uhlovodíky, od kterých jsou odvozeny, ovšem mají odlišnou reaktivitu; například jak uracil, tak i fluorouracil jsou bezbarvé pevné látky s vysokými teplotami tání, ovšem druhá z těchto látek je účinným protinádorovým léčivem. Vazby C-F se do léčiv zavádějí právě za účelem pozměnění reaktivity. Řada léčiv a agrochemikálií obsahuje pouze jeden fluorový nebo trifluormethylový substituent.

Fluorokarbeny

Jako příklad, jak fluorové substituenty mění reaktivitu sloučenin, lze uvést také difluorkarben, CF₂, který se vyskytuje v singletovém základním stavu, zatímco u methylenu (CH₂) je základní stav tripletový. Tento rozdíl má význam v tom, že se difluorkarben používá jako prekurzor tetrafluoroethylenu.

Perfluorované sloučeniny

Šablona:Podrobně Perfluorované sloučeniny jsou strukturně podobné fluorouhlíkům, obsahují však i jiné atomy, například dusík či jod, nebo iontové skupiny, které mají například perfluorované karboxylové kyseliny.

Způsoby vytváření vazeb C–F

Organofluoridy lze připravit mnoha různými způsoby, které závisí na potřebné míře a regiochemii fluorace a vlastnostech prekurzorů. Přímou fluorací uhlovodíků F₂, obvykle zředěným N₂, vznikají vysoce fluorované sloučeniny:

R₃CH + F₂ → R₃CHF + HF

Mnohé tyto reakce jsou ovšem neselektivní a musí se provádět opatrně, protože může dojít k nekontrolovatelnému „hoření“ uhlovodíků v F₂, obdobnému jako je hoření v kyslíku (O₂). Byly tak vyvinuty jiné postupy; ty se dělí na dvě skupiny.

Elektrofilní fluorace

Šablona:Podrobně Při elektrofilních fluoracích se používají zdroje fluoridových iontů (F⁺). Tyto zdroje, jako například F-TEDA-BF₄ často obsahují vazby N-F. Asymetrické fluorace, kdy vzniká pouze jeden ze dvou možných enantiomerů, vyžadují elektrofilní fluorační činidla.

Jako příklad lze uvést přípravu prekurzorů protizánětlivých léčiv:

Elektrosyntetické metody

Významným druhem elektrofilní fluorace je elektrosyntéza. Tímto způsobem většinou dochází k perfluoraci, tedy nahrazení všech vazeb C–H vazbami C–F. Uhlovodík bývá rozpuštěn nebo rozptýlen v roztoku HF a směs je elektrolyzována při napětí 5 až 6 V za použití niklových anod. Tímto způsobem byl poprvé připraven perfluorpyridin (C₅F₅N) z pyridinu (C₅H₅N). Bylo popsáno několik obměn tohoto postupu, například použití hydrogendifluoridu draselného nebo organických rozpouštědel.

Nukleofilní fluorace

Fluoraci lze provést nejen elektrofilně, ale také nukleofilně , s využitím zdrojů fluoridových (F⁻) iontů, které zpravidla nahrazují ionty chloridové nebo bromidové. Nejjednodušší jsou podvojné záměny s použitím fluoridů alkalických kovů. U alifatických sloučenin se tento postup někdy nazývá Finkelsteinova reakce, zatímco u aromatických jde o Halexův proces.

R₃CCl + MF → R₃CF + MCl (M = Na, K, Cs)

Alkylfluoridy je možné připravit reakcemi alkoholů s Olahovými činidly (například fluoridem pyridinia) nebo jinými fluoridačními činidly.

Rozklady aryldiazoniumtetrafluorboritanů při Sandmeyerových nebo Balzových–Schiemannových reakcích využívají jako zdroje F⁻ tetrafluorboritany.

ArN₂BF₄ → ArF + N₂ + BF₃

I když vypadá fluorovodík jako nepravděpodobný nukleofil, tak je při přípravách organofluoridů nejčastějším nukleofilem. Tyto reakce často katalyzují fluoridy kovů, jako je fluorid chromitý. 1,1,1,2-tetrafluorethan, látka nahrazující chlorfluorované uhlovodíky, se vyrábí takto:

Cl₂C=CClH + 4 HF → F₃CCFH₂ + 3 HCl

Tato metoda zahrnuje dva druhy reakcí, podvojnou záměnu F⁻ za Cl⁻ a hydrofluoraci alkenu.

Deoxofluorace

Při deoxofluoracích jsou hydroxylové a karbonylové skupiny nahrazovány fluoridovými. K výměně kyslíku u karbonylů se používá fluorid siřičitý:

RCO₂H + SF₄ → RCF₃ + SO₂ + HF

Místo SF₄ se může použít DAST, NEt₂SF₃ nebo bis(2-methoxyethyl)aminofluorid síry. Tyto reaktanty se snadněji skladují a jsou selektivnější:

Reakce bis(2-methoxyethyl)aminofluoridu síry

Z fluorovaných sloučenin

Řada organofluorových sloučenin se vyrábí z reaktantů obsahujících perfluoralkylové a perfluorarylové skupiny; například jako zdroj trifluormethylových skupin může sloužit (trifluormethyl)trimethylsilan, CF₃Si(CH₃)₃. K jiným používaným zdrojům patří CF₃X (X = Br, I), C₆F₅Br a C₃F₇I. Tyto sloučeniny vytváří Grignardova činidla, která následně mohou reagovat that s mnoha různými elektrofily. Rozvoj fluoračních metod je z velké části řízen vývojem sloučenin sloýužících k zavádění fluorovaných řetězců.

Dalším významným využitím fluorovaných reaktantů je průmyslová výroba tetrafluoroethylenu (přes difluorkarbenový meziprodukt). Tento proces začíná tepelnou (při 600-800 °C) dehydrochlorací chlordifluormethanu:

CHClF₂ → CF₂ + HCl

2 CF₂ → C₂F₄

K tvorbě chlorfluorkarbenu, meziproduktu cyklopropanačních reakcí, se používá fluordichloroctan sodný (CAS 2837-90-3).

Způsoby navazování ¹⁸F

Radiofarmaka obsahující fluor mají využití v ¹⁸F-pozitronové emisní tomografii a jejich potřeba podnítila vývoj nových způsobu tvorby vazeb C–F. Vzhledem ke krátkému poločasu přeměny ¹⁸F musí tyto syntézy být vysoce účinné, rychlé a snadno proveditelné.

Jako příklad lze uvést přípravu (18F)-fludeoxyglukózy náhradou triflátové skupiny nukleofilním ¹⁸F⁻:

Biologický význam

Biologicky vznikající organofluoridy byly nalezeny u mikroorganismů a rostlin, ovšem nikoliv u živočichů. Nejčastější takovou sloučeninou je kyselina fluoroctová, která slouží jako ochrana proti býložravcům u nejméně 40 rostlinám rostoucím v Austrálii, Brazílii a Africe.

K dalším biologicky tvořeným organofluoridům patří ω-fluorované mastné kyseliny, fluoraceton a kyselina 2-fluorcitronová, jež se pravděpodobně tvoří z fluoracetaldehydu. Biologické tvorby vazeb uhlík-fluor je například schopen enzym adenosylfluoridsyntáza.

Uměle vytvořené vazby C-F jsou časté v léčivech a agrochemikáliích, protože zde stabilizují uhlíkaté řetězce; malý kovalentní poloměr atomu fluoru navíc umožňuje jeho funkci jako bioisosteru vodíku. Zavádění vazeb uhlík-fluor do molekul léčiv je jedním z hlavních úkolů farmaceutické chemie, protože jejich přítomnost zvyšuje pravděpodobnost nalezení účinného léčiva přibližně desetkrát.

Kolem 20 % léčiv a 30 až 40 % agrochemikálií patří mezi organofluoridy.

Použití

Vazby C-F lze nalézt například v léčivech, agrochemikáliích, polymerech, chladivech, tenzidech, anestetikách a katalyzátorech.

Léčiva a agrochemikálie

Vazby uhlík-fluor se často vyskytují v léčivech a agrochemikáliích, protože jsou metabolicky stabilní a fluor funguje jako bioisoster vodíku. Jako příklady léčiv obsahujících fluor lze uvést 5-fluoruracil, flunitrazepam, fluoxetin, paroxetin, ciprofloxacin, meflokin a flukonazol. Fluorované ethery, například methoxyfluran, enfluran, isofluran, sevofluran a desfluran se používají jako anestetika. Fluorovaná anestetika jsou méně hořlavá než diethylether a cyklopropan. Perfluorované alkany slouží jako náhražky krve.

Hnací plyny v inhalátorech

Fluorouhlíky také slouží jako hnací plyny v inhalátorech používaných pacienty s astmatem. Tyto hnací plyny obvykle obsahují hydrofluoroalkany (HFA), jež nahradily chlorfluorované uhlovodíky (CFC). Inhalátory obsahující CFC byly v roce 2008 zakázány Montrealským protokolem, protože přispívají k poškozování ozonové vrstvy.

Fluorované tenzidy

Fluorované sloučeniny, obsahující polyfluorované hydrofobní řetězce a hydrofilní části, slouží jako tenzidy, protože se v důsledku své lipofilicity hromadí na rozhraní kapaliny a vzduchu. Mají nízké povrchové energie a výrazně snižují povrchové napětí. Nejvíce jsou prozkoumány kyselina perfluoroktansulfonová (PFOS) a kyselina perfluoroktanová, jsou známy svou toxicitou a dlouhým setrváváním v lidských tělech a životním prostředí.

Rozpouštědla

Fluorované sloučeniny mohou být použity jako rozpouštědla. Dichlordifluormethan a chlordifluormethan se často používaly jako chladiva. Vzhledem k tomu, že CFC požkozují ozonovou vrstvu tvorbou radikálů homolytickým štěpením vazeb uhlík-chlor, tak bylo jejich používání výrazně omezeno. Hydrofluorované uhlovodíky (HFC), jako je tetrafluorethan, je mohou nahradit, protože ozonovou vrstvu nepoškozují.

Dobrá rozpustnost kyslíku v perfluorovaných sloučeninách vyplývající z jejich lipofilicity, se využívá například u perfluordekalinu k nahrazování krve a přenosu kyslíku do plic.

1,1,1,2-tetrafluorethan se používá k extrakci látek, jako jsou taxol, pupalkový olej a vanilin. 2,2,2-trifluorethanol je polární rozpouštědlo odolné vůči oxidaci.

Organofluorové reaktanty

Rozvoj organofluorové chemie přinesl řadu reaktantů využitelných i v jiných oblastech. Kyselina trifluormethansulfonová (CF₃SO₃H) a kyselina trifluoroctová (CF₃CO₂H) mají v organické syntéze. Jejich značná kyselost je způsobena elektronegativitou atomů fluoru v trifluormethylových skupinách, která stabilizuje záporný náboj. Triflátový anion, konjugovaná zásada kyseliny trifluormethansulfonové, je dobrou odstupující skupinou v substitučních reakcích.

Fluorové fáze

Vysoce fluorované substituenty, jako je perfluorhexyl (C₆F₁₃), pozměňují vlastnosti molekul jako rozpouštědel, což usnadňuje přečišťování produktů v organické syntéze. Sloučeniny bohaté na fluor se přednostně rozpouštějí v rozpouštědlech, které také obsahují více fluorových atomů. Vzhledem k nízké reaktivitě vazeb C-F lze tyto fluorová rozpouštědla použít i u jinak obtížně rozpustitelných látek. Příkladem může být použití fluoroalkylovaných hydridů cínů při redukcích, kde se produkty snadno oddělují od zbytků reaktantů extrakcí fluorovanými rozpouštědly.

Hydrofobní fluorované iontové kapaliny, jako například organické soli bistriflimidového a hexafluorfosforečnanového aniontu, mohou tvořit fáze, které nejsou rozpustné ani ve vodě, ani v organických rozpouštědlech, za vzniku vícefázových kapalin.

Organofluoridové ligandy a přechodné kovy

Organofluoridové ligandy mají své využití také v organokovové a koordinační chemii. Jednou z vlastností ligandů obsahujících fluor je možnost použití ¹⁹F NMR spektroskopie ke zkoumání reakcí. Organofluoridy mohou sloužit jako „sigma-donorové ligandy“, jak je níže znázorněno na titanitém komplexu [(C₅Me₅)₂Ti(FC₆H₅)]BPh₄. Nejčastěji se ovšem fluorouhlíkové substituenty používají ke zvýšení Lewisovské kyselosti kovových center; jako příklad lze použít Eufod, komplex trojmocného europia, který obsahuje perfluorheptylovaný acetylacetonátový ligand. Tato sloučenina a jí podobné mají využití v organické syntéze a NMR spektroskopii.

Struktura [(C₅Me₅)₂Ti(FC₆H₅)]⁺, komplexu organofluorového ligandu

V oblastech, kde se překrývají organokovová chemie a materiálové vědy, mohou fluorované organické ligandy sloužit k upravování vlastností molekul. Míra a regiochemie fluorace metalovaných 2-fenylpyridinových ligandů v platnatých komplexech mají velký vliv na emisní vlastnosti komplexů.

Trifenylfosfin lze upravit navázáním perfluoralkylových substituentů, které mu dodávají rozpustnost v perfluorhexanu a superkritickém oxidu uhličitém. Příkladem takového komplexu může být [(C₈F₁₇C₃H₆-4-C₆H₄)₃P.

Aktivace vazeb C-F

V organokovové chemii se využívá štěpení vazeb C-F reaktanty založenými na přechodných kovech. K tomuto účelu byly vyvinuty stechiometrické i katalytické reakce; jde také o předmět zájmu v organické syntéze a odstraňování cizorodých látek z životního prostředí. Aktivace vazeb C-F se dělí na tyto skupiny: (i) oxidační adice fluorouhlíků, (ii) tvorba vazeb M–C eliminací HF, (iii) tvorba vazeb M–C eliminací fluorosilanů, (iv) hydrodefluorace fluorouhlíků tvorbou vazeb M–F, (v) nukleofilní ataky fluorovodíků, a (vi) defluorace fluorouhlíků. Jako příklad aktivace vazby C-F řízené kovem může být uvedena defluorace fluorhexanu hydridem zirkonatým:

(C₅Me₅)₂ZrH₂ + 1-FC₆H₁₃ → (C₅Me₅)₂ZrH(F) + C₆H₁₄

Fluorouhlíkové kationty v Zieglerových–Nattových katalyzátorech

Atomy fluoru jsou častými součástmi nekoordinujících a slabě koordinujících aniontů. Tetrakis(pentafluorofenyl)boritanové, B(C₆F₅)₄⁻, a tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)fenyl]boritanové ionty se používají v Zieglerových–Nattových katalyzátorech polymerizace alkenů. Fluorované substituenty dodávají aniontům mírnou zásaditost a zlepšují jejich rozpustnost v mírně zásaditých rozpouštědlech, použitelných se silnými Lewisovými kyselinami.

Materiálové vědy

Organofluoridy mají rovněž řadu využití v materiálových vědách. Vzhledem k nízkým koeficientům tření slouží kapalné fluoropolymery jako maziva. Fluorouhlíky jsou obsaženy v některých mazivech do střelných zbraní. Díky své nehořlavosti jsou také složkami hasicích hmot. Organofluoridy se také nacházejí v displejích z tekutých krystalů. Polymer kyseliny trifluormethansulfonové se používá jako pevná kyselina, v membránách nízkoteplotních palivových článků. Monomer 4,4'-difluorbenzofenon slouží na výrobu polyetherketonů.

Biosyntéza organofluoridů

I přes velký počet přírodních sloučenin obsahujících těžší halogenidy, chloridy, bromidy a jodidy, je známo jen málo biologicky vznikajících sloučenin obsahujících vazby uhlík-fluor. Nejrozšířenější je kyselina fluoroctová, vyskytující se jako toxin v několika druzích rostlin. Dále sem patří kyselina fluorolejová, fluoraceton, nukleocidin (4'-fluor-5'-O-sulfamoyladenosin), fluorthreonin a kyselina fluorcitronová. Mnohé z těchto sloučenin pravděpodobně vzniká z fluoracetaldehydu. Enzym fluorináza katalyzuje syntézu 5'-deoxy-5'-fluoradenosinu.

Historie

Výzkum organofluoridů započal v 19. století společně s rozvojem organické chemie.

U příprav prvních organofluoridů byl jako zdroj fluoridových iontů použit fluorid antimonitý. Nehořlavost a netoxičnost chlorfluorovaných uhlovodíků CCl₃F a CCl₂F₂ vedla ve 20. letech 20. století k jejich průmyslovému využívání. V roce 1938 Roy J. Plunkett objevil polytetrafluorethylen (PTFE).

Další rozvoj vycházel z poznatků získaných při výrobě fluoridu uranového.

Od konce 40. let 20. století bylo vyvinuto několik postupů přípravy organofluoridů založených na elektrofilních fluoracích, u prvních se používal fluorid kobaltitý (CoF₃). Joseph H. Simons objevil elektrofluoraci, kterou se daly získat velmi stabilní perfluorované profukty. Tyto nové postupy umožnily tvorbu vazeb C-F bez používání elementárního fluoru a využívání podvojných záměn.

V roce 1957 byly popsány protinádorové účinky 5-fluoruracilu. Tento objev ukázal na jedno z prvních využití racionálního upravování léčiv.

Tento objev vedl k růstu zájmu o fluorovaná léčiva a agrochemikálie. Příprava prvních sloučenin vzácných plynů, například fluoridu xenoničitého (XeF₄) poskytlo v 60. letech další skupinu použitelných reaktantů. V 70. letech 20. století bylo do pozitronové emisní tomografie zavedeno používání fluorodeoxyglukózy. Za objev škodlivého vlivu chlorfluorovaných uhlovodíků na ozonovou vrstvu byla udělena Nobelova cena. Tento objev vedl k rozvoji organofluoridových náhražek, které ozonovou vrstvu nepoškozují. V roce 2002 byla popsána fluorináza jako první známý enzym vytvářející vazby C-F.

Bezpečnost

Pouze několik organofluoridů, jako například kyselina fluoroctová a perfluorisobuten, je bioaktivních a výrazněji toxických.

Některé organofluoridy jsou nebezpečné pro zdraví a životní prostředí. Fluorchlorované (CFC) a hydrofluorchlorované uhlovodíky (HCFC) poškozují ozonovou vrstvu a jsou silnými skleníkovými plyny.

V roce 2013 podpořily země G20 snahy o ukončení používání HCFCs. Potvrdily význam Montrealského protokolu.

Odbouratelnost a bioakumulace

Vzhledem k síle vazeb uhlík-fluor se řada umělých fluorovaných organických sloučenin v přírodě nerozkládá. Fluorované tenzidy, jako jsou kyselina perfluoroktansulfonová a kyselina perfluoroktanová, jsou znečišťujícími látkami s celosvětovým rozšířením. CFC a tetrafluormethan byly nalezeny i v horninách.

Odkazy

Související články

• Hydrofluoralkeny