Флюорокарбон
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 .
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]
- Тетрафторид углерода , простейший перфторалкан.
- Перфтороктан — линейный перфторалкан.
- Перфтор-2-метилпентан — разветвленный перфторалкан.
- Перфтор-1,3-диметилциклогексан , циклический перфторалкан.
- Перфтордекалин — полициклический перфторалкан.
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]
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:
- Перфторуглеродный индикатор
- Жидкий диэлектрик
- Химическое осаждение из паровой фазы
- Органический цикл Ренкина
- Фтористый двухфазный катализ [26]
- Косметика
- Лыжные воски
А также несколько медицинских применений:
- УЗИ с контрастированием
- Кислородная терапия
- Заменитель крови
- Жидкостное дыхание
- Глазная хирургия [27]
- Удаление татуировок [28]
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.
- Перфторизобутен — химически активный и высокотоксичный газ фторалкен.
- Тетрафторэтилен , важный перфторированный мономер.
- Гексафторпропилен , еще один важный перфторалкен.
- Гексафтор-2-бутин , перфторалкин.
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 ]- Категория:Фторуглероды
- Фторохимическая промышленность
- Гидрофторуглерод
- Флюорографен
- Перфторциклоалкен (PFCA)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Фторуглероды ». дои : 10.1351/goldbook.F02459
- ^ Мерфи WJ (март 1947 г.). «Номенклатура фтора... Заявление редакции». Индийский англ. Хим . 39 (3): 241–242. дои : 10.1021/ie50447a004 .
- ^ 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 .
- ^ Киплингер Дж.Л., Ричмонд Т.Г., Остерберг CE (1994). «Активация углерод-фторных связей металлокомплексами». хим. Преподобный . 94 (2): 373–431. дои : 10.1021/cr00026a005 .
- ^ «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 ) - ^ Ларсен Э.Р. (1969). «Соединения фтора в анестезиологии: VI воспламеняемость». Фтор хим. Преподобный . 3 : 22–27.
- ^ Flutec (Технический отчет). ISC Chemicals Limited. 1982.
- ^ 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.
- ^ Макхейл ET (1974). «Жизнеобеспечение без опасности возгорания». Огненная техника . 10 (1): 15–24. дои : 10.1007/bf02590509 . S2CID 111161665 .
- ^ Хаггетт С. (1973). «Пригодная для жизни атмосфера, не поддерживающая горение». Горение и пламя . 20 : 140–142. дои : 10.1016/s0010-2180(73)81268-4 .
- ^ «Растворение газов в жидкостях FLUTEC» (PDF) . F2 Chemicals Ltd., 10 мая 2005 г.
- ^ 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 .
- ^ Макби ET (март 1947 г.). «Химия фтора». Индийский англ. Хим . 39 (3): 236–237. дои : 10.1021/ie50447a002 .
- ^ 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 .
- ^ «EFCTC - Токсикологические профили перфторуглеродов ПФХС» . Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 19 мая 2014 г.
- ^ «Надежные сводки и план тестирования на ВПЧ» (PDF) . Интернет-архив. Архивировано из оригинала (PDF) 2 декабря 2012 г. Проверено 3 января 2019 г.
- ^ 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 ) - ^ «Определение перфторуглеродов (PFCS) — ExpertGlossary» . Архивировано из оригинала 19 мая 2014 г. Проверено 14 декабря 2022 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 ) - ^ Изменение, Рамочная конвенция ООН по климату. «Киотский протокол» . unfccc.int . Проверено 27 сентября 2017 г.
- ^ 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.
- ^ «Анодный эффект» . aluminium-production.com . Архивировано из оригинала 22 февраля 2019 г. Проверено 20 мая 2014 г.
- ^ 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
- ^ Фланниган, Дэвид Дж. (21 ноября 2002 г.). «Фтористый двухфазный катализ» (PDF) . chemistry.illinois.edu .
- ^ 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 .
- ^ «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 ) - ^ «Приложение 2 Конвенции по химическому оружию» . ОЗХО . Проверено 25 января 2022 г.
- ^ 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 .
- ^ Бэнкс, RE (1970). Фторуглероды и их производные, второе издание . Лондон: MacDonald & Co. (Publishers) Ltd., стр. 203–207. ISBN 978-0-356-02798-2 .
- ^ «Октафторнафталин» . Химический Паук.