Jump to content

Флюорокарбон

(Перенаправлено с Фторуглеродов )
Стакан с двумя слоями жидкости, золотой рыбкой и крабом вверху, монетой внизу.
Несмешивающиеся слои цветной воды (вверху) и гораздо более плотного перфторгептана (внизу) в стакане; золотая рыбка и краб не могут проникнуть за границу; монеты лежат внизу.

Фторуглероды химические соединения со связями углерод-фтор . Соединения, содержащие много связей CF, часто обладают отличительными свойствами, например повышенным [ нужны разъяснения ] стабильность, летучесть и гидрофобность. Некоторые фторуглероды и их производные являются коммерческими полимерами , хладагентами , лекарствами и анестетиками . [1]

Номенклатура

[ редактировать ]

Перфторуглероды или ПФУ представляют собой фторорганические соединения с формулой C x F y , что означает, что они содержат только углерод и фтор . [2] Терминология не соблюдается строго, и многие фторсодержащие органические соединения также называют фторуглеродами. [1] Соединения с приставкой перфтор- – это углеводороды, в том числе с гетероатомами, в которых все связи CH заменены на связи CF. [3] Фторуглероды включают перфторалканы, фторалкены, фторалкины и перфторароматические соединения.

Перфторалканы

[ редактировать ]

Химические свойства

[ редактировать ]

Перфторалканы очень стабильны из-за прочности связи углерод-фтор , одной из самых прочных в органической химии. [4] Его сила является результатом электроотрицательности фтора, придающей частичный ионный характер за счет частичных зарядов на атомах углерода и фтора, которые укорачивают и укрепляют связь (по сравнению со связями углерод-водород) за счет благоприятных ковалентных взаимодействий. Кроме того, множественные связи углерод-фтор увеличивают прочность и стабильность других близлежащих связей углерод-фтор на том же геминальном углероде, поскольку углерод имеет более высокий положительный частичный заряд. [1] Кроме того, множественные связи углерод-фтор также усиливают «скелетные» связи углерод-углерод за счет индуктивного эффекта . [1] Следовательно, насыщенные фторуглероды более химически и термически стабильны, чем их соответствующие углеводородные аналоги, да и любое другое органическое соединение. Они чувствительны к воздействию очень сильных восстановителей, например, восстановления Берча и очень специализированных металлоорганических комплексов. [5]

Фторуглероды бесцветны и имеют высокую плотность, более чем в два раза превышающую плотность воды. Они не смешиваются с большинством органических растворителей (например, этанолом, ацетоном, этилацетатом и хлороформом), но смешиваются с некоторыми углеводородами (например, в некоторых случаях с гексаном). Они имеют очень низкую растворимость в воде, а вода имеет в них очень низкую растворимость (порядка 10 частей на миллион). Они имеют низкие показатели преломления .

Частичные заряды в поляризованной связи углерод–фтор

Поскольку высокая электроотрицательность фтора снижает поляризуемость атома, [1] фторуглероды слабо восприимчивы к мимолетным диполям, которые составляют основу лондонской дисперсионной силы . В результате фторуглероды обладают низкими силами межмолекулярного притяжения и являются но и липофобными не только гидрофобными и неполярными, . Отражая слабые межмолекулярные силы, эти соединения демонстрируют низкую вязкость по сравнению с жидкостями с аналогичными температурами кипения , низким поверхностным натяжением и низкой теплотой парообразования . Низкие силы притяжения во фторуглеродных жидкостях делают их сжимаемыми (низкий модуль объемного сжатия ) и относительно хорошо растворяющими газ. Меньшие фторуглероды чрезвычайно летучи . [1] Существует пять перфторалкановых газов: тетрафторметан (т. кип. -128 °C), гексафторэтан (т. кип. -78,2 °C), октафторпропан (т. кип. -36,5 °C), перфтор-н-бутан (т. кип. -2,2 °C) и перфторизо- бутан (т. кип. -1 °С). Почти все остальные фторалканы являются жидкостями; наиболее заметным исключением является перфторциклогексан , который сублимируется при 51 °C. [6] Фторуглероды также имеют низкую поверхностную энергию и высокую диэлектрическую прочность. [1]

Воспламеняемость

[ редактировать ]

В 1960-х годах был большой интерес к фторуглеродам в качестве анестетиков. Исследование не дало никаких анестетиков, но исследование включало испытания по вопросу воспламеняемости и показало, что испытуемые фторуглероды не воспламенялись на воздухе ни в какой пропорции, хотя большинство испытаний проводились в чистом кислороде или чистой закиси азота (газы значение в анестезиологии). [7] [8]

Сложный Условия испытаний Результат
Гексафторэтан Нижний предел воспламеняемости в кислороде Никто
Перфторпентан Температура вспышки в воздухе Никто
Температура вспышки в кислороде −6 °С
Температура вспышки закиси азота −32 °С
Перфторметилциклогексан Нижний предел воспламеняемости на воздухе Никто
Нижний предел воспламеняемости в кислороде 8.3%
Нижний предел воспламеняемости в кислороде (50 °C) 7.4%
Нижний предел воспламеняемости по закиси азота 7.7%
Перфтор-1,3-диметилциклогексан Нижний предел воспламеняемости в кислороде (50 °C) 5.2%
Перфторметилдекалин Тест на самовозгорание
в кислороде при 127 бар
Отсутствие воспламенения при 500 °C
Самовозгорание при адиабатическом ударе
волна в кислороде, от 0,98 до 186 бар
Нет зажигания
Самовозгорание при адиабатическом ударе
волна в кислороде, от 0,98 до 196 бар
Зажигание

В 1993 году компания 3M рассматривала фторуглероды в качестве огнетушащих средств для замены ХФУ. [9] Этот эффект тушения объясняется их высокой теплоемкостью , которая отводит тепло от огня. Было высказано предположение, что атмосфера, содержащая значительный процент перфторуглеродов на космической станции или аналогичном объекте, вообще предотвратит пожары. [10] [11] При возгорании образуются токсичные пары, в том числе фторид карбонила , окись углерода и фторид водорода .

Свойства растворения газа

[ редактировать ]

Перфторуглероды растворяют относительно большие объемы газов. Высокая растворимость газов объясняется слабыми межмолекулярными взаимодействиями в этих фторуглеродных жидкостях. [12]

В таблице приведены значения мольной доли x 1 растворенного азота , рассчитанные по коэффициенту распределения кровь-газ при 298,15 К (25 °C), 0,101325 МПа. [13]

Жидкость 10 4 х 1 Концентрация
(мМ)
Вода 0.118 0.65
Этанол 3.57 6.12
Тетрагидрофуран 5.21 6.42
Ацетон 5.42 7.32
Циклогексан 7.73 7.16
Перфтор-1,3-диметилциклогексан 31.9 14.6
Перфторметилциклогексан 33.1 16.9

Производство

[ редактировать ]

Развитие фторуглеродной промышленности совпало со Второй мировой войной . [14] До этого фторуглероды получали реакцией фтора с углеводородом, т.е. прямым фторированием. Поскольку связи CC легко расщепляются фтором, прямое фторирование в основном дает более мелкие перфторуглероды, такие как тетрафторметан, гексафторэтан и октафторпропан. [15]

Процесс Фаулера

[ редактировать ]

Крупным прорывом, позволившим крупномасштабное производство фторуглеродов, стал процесс Фаулера . В этом процессе трифторид кобальта в качестве источника фтора используется . Показательным является синтез перфторгексана :

C 6 H 14 + 28 CoF 3 → C 6 F 14 + 14 HF + 28 CoF 2

Полученный дифторид кобальта затем регенерируют, иногда в отдельном реакторе:

2 ЦФ 2 + Ф 2 → 2 ЦФ 3

В промышленности обе стадии объединяются, например, при производстве серии фторуглеродов Flutec компанией F2 Chemicals Ltd с использованием вертикального реактора с перемешиваемым слоем, в котором углеводород вводится снизу, а фтор вводится посередине реактора. Пары фторуглерода извлекаются сверху.

Электрохимическое фторирование

[ редактировать ]

Электрохимическое фторирование (ECF) (также известное как процесс Саймонса) включает электролиз субстрата, растворенного во фтористом водороде . Поскольку фтор сам по себе производится электролизом фтористого водорода, ECF представляет собой гораздо более прямой путь к получению фторуглеродов. Процесс протекает при низком напряжении (5 – 6 В), поэтому свободный фтор не выделяется. Выбор субстрата ограничен, так как в идеале он должен быть растворим во фтористом водороде. Обычно используют простые эфиры и третичные амины. Для получения перфторгексана используют тригексиламин, например:

N(C 6 H 13 ) 3 + 45 HF → 3 C 6 F 14 + NF 3 + 42 H 2

Перфторированный амин также будет производиться:

N(C 6 H 13 ) 3 + 39 HF → N(C 6 F 13 ) 3 + 39 H 2

Проблемы окружающей среды и здоровья

[ редактировать ]

Фторалканы обычно инертны и нетоксичны. [16] [17] [18]

Фторалканы не разрушают озоновый слой , поскольку не содержат атомов хлора или брома, и иногда их используют в качестве заменителей озоноразрушающих химикатов. [19] Термин «фторуглерод» используется довольно широко и включает в себя любые химические вещества, содержащие фтор и углерод, включая хлорфторуглероды , которые разрушают озоновый слой.

Перфторалканы, используемые в медицинских процедурах, быстро выводятся из организма, в основном с выдохом, причем скорость выведения зависит от давления паров; период полураспада октафторпропана составляет менее 2 минут, [20] по сравнению с примерно неделей для перфтордекалина. [21]

Атмосферная концентрация ПФУ-14 и ПФУ-116 по сравнению с аналогичными искусственными галогенированными газами в период с 1978 по 2015 год (правый график). Обратите внимание на логарифмический масштаб.

Низкокипящие перфторалканы являются мощными парниковыми газами , отчасти из-за их очень длительного существования в атмосфере, и их использование регулируется Киотским протоколом . [ нужна ссылка ] [22] Потенциал глобального потепления (по сравнению с потенциалом углекислого газа) многих газов можно найти в пятом оценочном отчете МГЭИК: [23] с приведенным ниже экстрактом нескольких перфторалканов.

Имя Химическая формула Срок службы (лет) ПГП (100 лет)
ПФК-14 КФ 4 50000 6630
ПФК-116 С 2 Ж 6 10000 11100
PFC-c216 сС 3 Ж 6 3000 9200
ПФЦ-218 С 3 Ж 6 2600 8900
ПФЦ-318 сС 4 Ж 8 3200 9540

Алюминиевая промышленность является основным источником атмосферных перфторуглеродов ( особенно тетрафторметана и гексафторэтана ), образующихся как побочный продукт процесса электролиза. [24] Однако в последние годы отрасль активно участвует в сокращении выбросов. [25]

Приложения

[ редактировать ]

Поскольку перфторалканы инертны, они практически не имеют химического применения, но их физические свойства привели к их использованию во многих различных областях. К ним относятся:

А также несколько медицинских применений:

Фторалкены и фторалкины

[ редактировать ]

Ненасыщенные фторуглероды гораздо более реакционноспособны, чем фторалканы. Хотя дифторацетилен нестабилен (что характерно для родственных алкинов, см. дихлорацетилен ), [1] Гексафтор-2-бутин и родственные ему фторированные алкины хорошо известны.

Полимеризация

[ редактировать ]

Фторалкены полимеризуются более экзотермически, чем обычные алкены. [1] Ненасыщенные фторуглероды способствуют увеличению sp. 3 гибридизация за счет электроотрицательных атомов фтора, стремящихся к большей доле связывающих электронов с пониженным s-характером на орбиталях. [1] Самый известный представитель этого класса — тетрафторэтилен , который используется для производства политетрафторэтилена (ПТФЭ), более известного под торговым названием «Тефлон» .

Проблемы окружающей среды и здоровья

[ редактировать ]

Фторалкены и фторированные алкины реакционноспособны, и многие из них токсичны, например перфторизобутен . [29] [30] Для производства политетрафторэтилена различные фторированные поверхностно-активные вещества используются в процессе, известном как эмульсионная полимеризация , и поверхностно-активное вещество, включенное в полимер, может биоаккумулироваться.

Перфторароматические соединения

[ редактировать ]

Перфторароматические соединения содержат только углерод и фтор, как и другие фторуглероды, но также содержат ароматическое кольцо. Тремя наиболее важными примерами являются гексафторбензол , октафтортолуол и октафторнафталин.

Перфторароматические соединения, как и фторалканы, можно производить с помощью процесса Фаулера, но условия необходимо отрегулировать, чтобы предотвратить полное фторирование. Их также можно получить путем нагревания соответствующего перхлорароматического соединения с фторидом калия при высокой температуре (обычно 500 ° C), при этом атомы хлора заменяются атомами фтора. Третий путь — дефторирование фторалкана; например, октафтортолуол можно получить из перфторметилциклогексана путем нагревания до 500 ° C с использованием никелевого или железного катализатора. [31]

Перфторароматические соединения относительно летучи по своей молекулярной массе, их точки плавления и кипения аналогичны соответствующим ароматическим соединениям, как показано в таблице ниже. Они имеют высокую плотность и негорючие. По большей части это бесцветные жидкости. В отличие от перфторалканов, они склонны смешиваться с обычными растворителями. [ нужна ссылка ]

Сложный Температура плавления (°С) Точка кипения (°С)
Гексафторбензол 5.3 80.5
Бензол 5.5 80.1
Октафтортолуол <−70 102–103
Толуол −95 110.6
Перфтор(этилбензол) 114–115
Этилбензол −93.9 136.2
Октафторнафталин 86–87 209 [32]
Нафталин 80.2 217.9

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Лемаль Д.М. (январь 2004 г.). «Взгляд на химию фторуглеродов». Дж. Орг. Хим . 69 (1): 1–11. дои : 10.1021/jo0302556 . ПМИД   14703372 .
  2. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Фторуглероды ». дои : 10.1351/goldbook.F02459
  3. ^ Мерфи WJ (март 1947 г.). «Номенклатура фтора... Заявление редакции». Индийский англ. Хим . 39 (3): 241–242. дои : 10.1021/ie50447a004 .
  4. ^ О'Хаган Д. (февраль 2008 г.). «Понимание фторорганической химии. Знакомство со связью C – F». хим. Соц. Преподобный . 37 (2): 308–19. дои : 10.1039/b711844a . ПМИД   18197347 .
  5. ^ Киплингер Дж.Л., Ричмонд Т.Г., Остерберг CE (1994). «Активация углерод-фторных связей металлокомплексами». хим. Преподобный . 94 (2): 373–431. дои : 10.1021/cr00026a005 .
  6. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 5 декабря 2008 г. Проверено 29 ноября 2008 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  7. ^ Ларсен Э.Р. (1969). «Соединения фтора в анестезиологии: VI воспламеняемость». Фтор хим. Преподобный . 3 : 22–27.
  8. ^ Flutec (Технический отчет). ISC Chemicals Limited. 1982.
  9. ^ Джон А. Пиньято-младший; Пол Э. Риверс; Майрон Т. Пайк. «Разработка перфторуглеродов в качестве чистых огнетушащих веществ» (PDF) . Национальный институт стандартов и технологий. Архивировано из оригинала (PDF) 21 мая 2014 г. Проверено 3 января 2019 г.
  10. ^ Макхейл ET (1974). «Жизнеобеспечение без опасности возгорания». Огненная техника . 10 (1): 15–24. дои : 10.1007/bf02590509 . S2CID   111161665 .
  11. ^ Хаггетт С. (1973). «Пригодная для жизни атмосфера, не поддерживающая горение». Горение и пламя . 20 : 140–142. дои : 10.1016/s0010-2180(73)81268-4 .
  12. ^ «Растворение газов в жидкостях FLUTEC» (PDF) . F2 Chemicals Ltd., 10 мая 2005 г.
  13. ^ Баттино Р., Реттич Т.Р., Томинага Т. (1984). «Растворимость азота и воздуха в жидкостях». Дж. Физ. хим. Ссылка. Данные . 13 (2): 308–319. Бибкод : 1984JPCRD..13..563B . дои : 10.1063/1.555713 .
  14. ^ Макби ET (март 1947 г.). «Химия фтора». Индийский англ. Хим . 39 (3): 236–237. дои : 10.1021/ie50447a002 .
  15. ^ Зигемунд, Гюнтер; Швертфегер, Вернер; Фейринг, Эндрю; Умный, Брюс; Бер, Фред; Фогель, Гервард; МакКьюсик, Блейн (2000). «Соединения фтора органические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a11_349 . ISBN  978-3-527-30385-4 .
  16. ^ «EFCTC - Токсикологические профили перфторуглеродов ПФХС» . Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 19 мая 2014 г.
  17. ^ «Надежные сводки и план тестирования на ВПЧ» (PDF) . Интернет-архив. Архивировано из оригинала (PDF) 2 декабря 2012 г. Проверено 3 января 2019 г.
  18. ^ Яманучи К; Ёкояма К. (1975). «Материалы X Международного конгресса по питанию: Симпозиум по перфторхимической искусственной крови, Киото»: 91. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  19. ^ «Определение перфторуглеродов (PFCS) — ExpertGlossary» . Архивировано из оригинала 19 мая 2014 г. Проверено 14 декабря 2022 г.
  20. ^ Платтс Д.Г.; Фрейзер Дж. Ф. (2011). «Контрастная эхокардиография в реанимации: отголоски будущего?: Обзор роли микросферной контрастной эхокардиографии». Реанимационная помощь и реанимация . 13 (1): 44–55. ПМИД   21355829 .
  21. ^ Гейер Р.П. (1975). «Процедуры X-го Международного конгресса по питательным веществам: Симпозиум по перфторхимическим препаратам. Кровь, Киото»: 3–19. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  22. ^ Изменение, Рамочная конвенция ООН по климату. «Киотский протокол» . unfccc.int . Проверено 27 сентября 2017 г.
  23. ^ Мире, Г., Д. Шинделл, Ф.-М. Бреон, В. Коллинз, Дж. Фуглеведт, Дж. Хуанг, Д. Кох, Ж.-Ф. Ламарк, Д. Ли, Б. Мендоса, Т. Накадзима, А. Робок, Г. Стивенс, Т. Такемура и Х. Чжан (2013) «Антропогенное и естественное радиационное воздействие» (см. Таблицу 8.A.1). В: Изменение климата 2013: Основы физической науки. Вклад Рабочей группы I в пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Стокер, Т.Ф., Д. Цинь, Г.-К. Платтнер, М. Тинор, С. К. Аллен, Дж. Бошунг, А. Науэлс, Ю. Ся, В. Бекс и П. М. Миджли (ред.). Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Великобритания и Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США.
  24. ^ «Анодный эффект» . aluminium-production.com . Архивировано из оригинала 22 февраля 2019 г. Проверено 20 мая 2014 г.
  25. ^ Лебер Б.П. и др. «Производство перфторуглеродов (ПФУ) на заводах по производству первичного алюминия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 февраля 2013 г. Climatevision.gov
  26. ^ Фланниган, Дэвид Дж. (21 ноября 2002 г.). «Фтористый двухфазный катализ» (PDF) . chemistry.illinois.edu .
  27. ^ Имамура Ю; Минами М; Уэки М; Сато Б; Икеда Т. (2003). «Использование перфторуглеродной жидкости во время витрэктомии при тяжелой пролиферативной диабетической ретинопатии» . Br J Офтальмол . 87 (5): 563–566. дои : 10.1136/bjo.87.5.563 . ПМЦ   1771679 . ПМИД   12714393 .
  28. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 мая 2014 г. Проверено 19 мая 2014 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  29. ^ «Приложение 2 Конвенции по химическому оружию» . ОЗХО . Проверено 25 января 2022 г.
  30. ^ Тимперли, Кристофер М. (2000). «Высокотоксичные соединения фтора». Химия фтора в эпоху тысячелетия . стр. 499–538. дои : 10.1016/B978-008043405-6/50040-2 . ISBN  9780080434056 .
  31. ^ Бэнкс, RE (1970). Фторуглероды и их производные, второе издание . Лондон: MacDonald & Co. (Publishers) Ltd., стр. 203–207. ISBN  978-0-356-02798-2 .
  32. ^ «Октафторнафталин» . Химический Паук.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 984aab747a9275a7aaf45ef223fd9a57__1721766900
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/98/57/984aab747a9275a7aaf45ef223fd9a57.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Fluorocarbon - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)