Фторорганические соединения, органическое соединения, содержащие в молекулах одну или несколько связей F—C. Химия Фторорганические соединения начала интенсивно развиваться лишь со 2-й половины 20 в., но уже выросла в большую специализированную область органической химии . Её развитие было обусловлено потребностями молодой атомной промышленности в материалах, стойких к фторирующему действию U F 6, который применяется для изотопов разделения урана. Известны фторпроизводные всех типов органических соединений.
Номенклатура. Положение атома фтора в Фторорганические соединения обозначают согласно правилам номенклатуры органических соединений (см. Номенклатура химическая ). Для построения название полифторзамещённых соединений удобнее пользоваться приставкой «пер». Так, полностью фторировнные углеводороды называются перфторуглеводородами (или фторуглеродами), например C F 3(C F 2)5C F 3 называется перфторгептаном. Частично фторированные соединения можно рассматривать как производные перфторуглеводородов, например C F 3C F H (C F 2) C F 2H называется 1,6-дигидроперфторгептаном. Очень часто в название Фторорганические соединения сочетание «перфтор» заменяют греческой буквой j; в этом случае, например, перфторэтан называется j-этаном. Для обозначения полностью фторированных углеводородов используют также частицу «фор» (фтор), которую включают в наименование соответствующего углеводорода, например название C F 4 — метфоран, C 2F 6 — этфоран.
Методы синтеза. Прямое фторирование, а также присоединение F 2 по двойной связи — радикальные чрезвычайно экзотермические реакции:
(1ккал/моль = 4,19 кдж/моль)
Т. к. тепловой эффект фторирования больше, чем разрыва С—С-связей (80—85 ккал/моль), возможна деструкция фторируемых соединений. Во избежание этого необходим эффективный отвод тепла и разбавление смеси реагирующих веществ азотом. Для отвода тепла в реакционное пространство (трубка) вводят медную сетку или медные стружки, покрытые Ag, Co, Ni или др.; на поверхности сетки (стружек) образуются высшие фториды металлов, которые и служат фторирующими агентами, роль фтора при этом сводится, по-видимому, к их регенерации.
В металлофторидном процессе пары фторируемого вещества, сильно разбавленные азотом, пропускают через трубку с Co F 3:
1/2 (—C H 2—) + 2Co F з ® 1/2(—C F 2—) + H F + 2Co F 2 + 46 ккал/моль.
Образующийся Co F 3 действием фтора при 250°С превращают опять в Co F 3. Выходы перфторуглеводородов 80—85%.
Важен метод электрохимического фторирования. Электролитом служит раствор фторируемого вещества в безводном фтористом водороде. В случае неэлектропроводных соединений обычно добавляют K F. Этим методом j-амины, j-окиси и др. Все рассмотренные выше процессы применяются в промышленности.
Обмен атомов хлора на фтор — важный промышленный метод введения фтора (см. Свартса реакция ); может быть произведён безводным H F или фторидами (например, N H 4F, K F, CbF3Cl 2, Ag F 2, Hg F 2. Лёгкость обмена зависит от строения хлорсодержащего соединения. Так, хлорангидриды кислот часто легко превращаются во фторангидриды путём растворения их в безводном H F. Атомы Cl в этиленхлоргидрине, хлоруксусной кислоте и её производных легко обмениваются на F при реакции с K F в полярных растворителях (например, этиленгликоле); в моногалогенуглеводородах — лишь действием Ag F 2 или Hg F 2 при 150°С. Легче замещаются на фтор атомы хлора в соединениях, содержащих трихлорметильную группу. В промышленности для такого обмена применяют обычно растворы Sb F 3 или Sb F 3Cl 2 в безводном H F. Этим способом из хлороформа C H Cl 3 получают дифторхлорметан, используемый для производства тетрафторэтилена, из C Cl 4 — дифтордихлорметан (один из важнейших фреонов ), из C 2Cl 6 — трифтортрихлорэтан (исходное вещество для производства трифторхлорэтилена).
Сравнительно легко на фтор обмениваются атомы хлора в гексахлорбензоле (действием K F при 450—530°С); C 6F 6 и C 6F 5Cl при этом получаются с хорошими выходами. Аналогично реагируют и др. полихлорароматические и полихлоргетероциклические соединения.
Диазометод получения фторароматических соединений основан на образовании борфторида выделяют в твёрдом при нагревании:
Замена кислородсодержащих группировок в различных органических соединениях на фтор при помощи S F 4 (например, в спиртах, альдегидах, кетонах, кислотах):
(R — органический остаток).
Присоединение безводного фтористого водорода к олефинам, галогенолефинам, окисям, изоцианатам, циклопарафинам и др., например:
Сопряжённое присоединение фтора и др. атомов или групп к соединениям, содержащим кратные связи, легко происходит в избытке безводного H F, например фторнитрование:
Методы получения фторолефинов. Дегалогенирование вицинальных дигалогенполифторалканов металлами (Zn, Mg и др.), например:
C F 2Cl — C F 2Cl + Zn ® C F 2 = C F 2 + Zn Cl 2.
Пиролиз политетрафторэтилена, приводящий к образованию перфторпропилена и перфторизобутилена наряду с тетрафторэтиленом, перфторбутиленом, фторциклобутаном и др.:
[—C F 2—] n ® C F 3F = C F 2 + (C F 3)2C = C F 2 + C F 2 = C F 2 + C F 3C F 2C F = C F 2 и др.
В промышленности этим способом (а также пиролизом тетрафторэтилена) получают перфторпропилен — важный мономер для производства фторкаучуков.
Пиролиз солей j-карбоновых кислот, например:
Фторированные спирты получают обычными методами синтеза спиртов , например восстановлением эфиров j-карбоновых кислот, фторированных альдегидов и кетонов. Важный промышленный способ их получения — теломеризация тетрафторэтилена метанолом:
nC F 2 = C F 2 + C H 3O H ® Н [—C F 2C F 2—] n СН2ОН.
Свойства. Физические свойства. Низшие фторуглероды парафинового ряда (общая формула C nF 2n+2) — газы, начиная с C 5 — жидкости, высшие — твёрдые воскообразные соединения. Только первые четыре представителя этого ряда кипят несколько выше соответствующих углеводородных аналогов, все остальные — ниже.
При замещении одного атома водорода в молекуле углеводорода на F температура кипения повышается, но меньше, чем при замене его на хлор. При полной замене атомов водорода на фтор у любых производных углеводородов температуры кипения очень сильно понижаются (см. табл.).
Сравнение температур кипения некоторых соединений<
Химические свойства наиболее важных типов Фторорганические соединения Фторуглероды парафинового и алициклических рядов характеризуются необычайно высокими химической инертностью и термостойкостью. Для них известно небольшое число реакций, осуществляемых лишь при высоких температурах. Так, пиролиз перфторэтана начинается около 1000°C, перфторгептана — около 800°C. Фторуглероды не реагируют в обычных условиях и при умеренном нагревании с концентрированными кислотами, сильными окислителями, металлами, щелочами и др.; реакция с металлическим натрием и перекисью натрия начинается при 400°C; Zn, Al, Fe и Sn в этих условиях реагируют очень медленно; Cu, Ag, Hg и некоторые др. в реакцию не вступают.
Перфторбензол и некоторые др. перфторароматические соединения легко взаимодействуют с нуклеофильными реагентами, например с аммиаком, аминами, алкоголятами, сульфидом натрия и др. При этом после замены одного атома фтора замещается второй, находящийся в пара-положении к первому:
Пентафторхлорбензол образует магнийорганическое соединение C 6F 5Mg Cl, широко используемое в органическом синтезе.
Перфторолефины, в отличие от олефинов, являющихся нуклеофилами, резко электрофильны. Они легко реагируют с различными нуклеофилами (см. Нуклеофильные и электрофильные реагенты ), причём в зависимости от типа последних образуются продукты присоединения или замещения атома F в винильном (а) или аллильном (б) положении на остаток нуклеофила (Nu):
Электрофильные соединения реагируют с фторолефинами значительно труднее, чем с их углеводородными аналогами. Однако фторолефины присоединяют галогены, смешанные галогены, серный ангидрид и др. сильные электрофильные реагенты. Перфторолефины легко вступают в радикальные реакции, например
C F 2 = C F 2 + N 2O 4 ® C F 2N O 2 — C F 2N O 2 + C F 2N O 2 — C F 2O N O,
легко полимеризуются и сополимеризуются (см. Фторопласты , Фторкаучуки ). При окислении j-олефинов в щелочной среде образуются j-окиси (см. ниже).
Монофторметанол — нестойкая жидкость, tkип 51°C; ди- и трифторметанолы не получены, но известны производные трифторметанола: трифторметилгипофторит C F 3O F — газ, tkип — 95°C, и алкоголяты C F 3O K и C F 3O Cs. Фторзамещённые спирты (b-, g-, но не a-) — устойчивые, легко перегоняющиеся жидкости. Кислотные свойства спиртов усиливаются по мере накопления атомов фтора.
С увеличением содержания фтора в молекулах альдегидов и кетонов электрофильность карбонильного атома углерода резко усиливается. Перфторальдегиды и перфторкетоны, подобно хлоралю, образуют стойкие геминальные диолы, например C F 3—C H (O H)2, C F 3—C (O H)2—C F 3, и полуацетали; легче, чем их углеводородные аналоги, присоединяют N H 3, H C N, N H 2O H и др. нуклеофильные реагенты; легко подвергаются распаду с образованием фтороформа, например:
C F 3C O C F 3 + Na O H ® C F 3H + C F 3C O O Na.
Частично фторированные кетоны и альдегиды характеризуются высоким содержанием енольных форм (см. Таутомерия ), склонных к образованию внутрикомплексных соединений; это свойство их используется для разделения редких и рассеянных элементов, например с помощью теноилтрифторацетона выделяют и очищают Be, Со, Hf, Zr, Ас, а также радиоактивные изотопы, образующиеся в ядерном реакторе.
Фторзамещённые карбоновые кислоты сильнее незамещённых и соответствующих хлорзамещённых кислот. Однако n-фторбензойная кислота слабее хлорбензойной вследствие большей способности атома F к сопряжению.
Под влиянием третичных аминов или ионов фтора j-окиси легко изомеризуются, а также полимеризуются, образуя исключительно стойкие к действию агрессивных сред масла.
Первичные и вторичные перфторалкиламины типа C F 3N H 2 и (C F 3)2N H малоустойчивы, третичные — исключительно стойки к действию самых агрессивных сред; они лишены основных свойств вследствие сильного снижения электронной плотности на атоме азота.
Разнообразные органические соединения, несущие группы — N F 2, являются сильными окислителями.
Фторнитрозосоединения типа RF N = O устойчивы; в отличие от водородных аналогов, окрашены в интенсивно-синий цвет, например трифторнитрозометан — синий газ, tkип — 84°C. При сополимеризации последнего с тетрафторэтиленом получается один из наиболее химически стойких фторкаучуков, т. н. нитрозокаучук.
Из Фторорганические соединения, содержащих серу, известны, например, фтормеркаптаны, сульфиды, ди- и полисульфиды, сульфоокиси, сульфоны, сульфоновые кислоты и их производные; промышленное применение нашли перфторсульфокислоты, в частности трифторметансульфокислота , и дифтортиофосген C F 2S (в синтезе эластомеров).
Из фторалкильных соединений металлов и металлоидов наибольшее значение имеют соединения с Li, Mg, Hg, Si; сравнительно хорошо изучены соединения с Р, As, Sb. Перфтордиметилртуть (C F 3)2Hg резко отличается от обычных ртутьорганических соединений. Это бесцветное кристаллическое вещество, tпл 161°C, хорошо растворимо в воде; в отличие от (C H 3)2Hg, практически не алкилирует. Диперфторвинилртуть — хороший перфторвинилирующий агент. Из соединений кремния наибольшее значение имеет C F 3C H 2C H 2Si Cl 2((C H 3), применяемый для производства термостойкого фторсилоксанового эластомера (см. Кремнийорганические каучуки ).
Применение. Фторорганические соединения широко применяются во всех областях техники с её экстремальными условиями эксплуатации. Фторорганические соединения используют для получения фторопластов, превосходящих благородные металлы по устойчивости к действию агрессивных сред; термостойких фторкаучуков; антикоррозионных покрытий; как негорючие, термостойкие и неокисляющиеся смазочные масла и гидравлические жидкости; поверхностно-активные и пламягасящие вещества, пропелленты и хладагенты (см. Фреоны ). Трифторуксусная кислота и её ангидрид применяются как промоторы этерификации; трифторнадуксусная кислота — специфический и удобный окислитель. В медицине Фторорганические соединения применяют как лекарственные препараты и средства для наркоза (см. Фторотан ), как материалы для изготовления искусственных кровеносных сосудов, клапанов для сердца. Кроме того, на примере Фторорганические соединения изучены фундаментальные вопросы теории: природа водородной связи, вандерваальсовы силы, механизмы реакций и др.
Лит.: Кнунянц И. Л., Фокин А. В., Покорение неприступного элемента, М., 1963; Кнунянц И. Л., Сокольский Г. А., Электрохимическое фторирование, в кн.: Реакции и методы исследования органических соединений, кн. 6, М., 1957; Шеппард У., Шартс К., органическая химия фтора, пер. с англ., М., 1972; Успехи химии фтора, пер. с англ., т. 1—4, Л., 1964—70; Fluorine chemistry reviews, ed. P. Tarrant, v. 1—7, N. Y. — [a. o.], 1967—74; Chambers R. D., Fluorine in organic chemistry, N. Y. — [a. o.], 1973.
И. Л. Кнунянц.