Fluorine and Fluorination Chemistry

Fluor ist ein hochkorrosives, reaktives Gas. In seiner elementaren Form ist Fluor hochgiftig und muss mit Vorsicht behandelt werden. Fluor ist ein notwendiger Bestandteil vieler Pharmazeutika, Feinchemikalien und Polymere. Bei Fluorierungsreaktionen wird Fluor zu Substratmolekülen hinzugefügt. Es gibt eine Reihe von Reagenzien zur Durchführung von Fluorierungen. Ein gängiges Reagenz zur Fluorierung ist Flusssäure, aber auch sie ist ätzend, reaktiv und muss mit großer Vorsicht verwendet werden. Das andere Problem bei der Fluorierung mit elementarem Fluor oder HF ist die Spezifität. Sie neigen dazu, so effektiv mit organischen Stoffen zu reagieren, dass es schwierig ist, die Position zu kontrollieren, an der sich das Fluoratom in ein Substratmolekül einfügt. Es wurde eine Reihe von Reagenzien entwickelt, die eine kontrollierte Fluorierung besser ermöglichen. DAST (Diethylaminosulfurtrifluorid) wird zum Beispiel häufig verwendet, um Carbonyl und Alkohole in ihre analogen Fluorderivate umzuwandeln. Ein noch harmloseres Reagenz ist SelectFluor [(1-Chlormethyl-4-fluor-1,4-diazoniabicyclo[2.2.2]octan-bis(tetrafluoroborat)], ein elektrophiles Fluorierungsreagenz, das einfacher zu verwenden ist, da es nicht flüchtig und luft- und feuchtigkeitsstabil ist.

Fluor ist in industriellen Produkten weit verbreitet; die Bandbreite der Produkte und Verbindungen, die Fluor enthalten, ist bemerkenswert. Fluoratome finden sich in:

• Verbraucherprodukten, wie Zahnpasta und Trinkwasser
• Medikamenten, Antibiotika und Anästhetika
• Kühlmittel für Klimaanlagen
• Halbleiteranwendungen für das Plasma-Ätzen
• Hochleistungsfähige, technische Kunststoffe und Polymere

In der Pharmazie kann das Hinzufügen von Fluoratomen zu Substratmolekülen das Potenzial für eine therapeutische Wirkung erhöhen. Es gibt mehr als 150 aktive pharmazeutische Wirkstoffe (APIs), die Fluoratome enthalten. Das Hinzufügen von Fluor zu einer therapeutischen Einheit kann die metabolische Stabilität und die Lipophilie erhöhen und damit die Bioverfügbarkeit verbessern. Daher werden in der pharmazeutischen Forschung, Entwicklung und Produktion häufig gut kontrollierte Fluorierungsreaktionen mit hoher Spezifität eingesetzt.

In industriellen Polymerisationsreaktionen entsteht durch die Anlagerung von Fluor an ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Grundgerüst ein Polymer mit Eigenschaften wie Festigkeit, Haltbarkeit, Chemikalienbeständigkeit und verbesserten Oberflächeneigenschaften. Auf molekularer Ebene ist die Stärke der C-F-Bindung der Schlüssel zu diesen Leistungsvorteilen und führt zur weit verbreiteten Verwendung von Fluorpolymeren, die bei der Herstellung von chemisch resistenten Dichtungen, wie Polytetrafluorethylen (PTFE) und Fluorelastomeren, eingesetzt werden.In einem Beispiel für eine wichtige Fluorierungspolymerisation wird Chloroform mit HF zu Chlordifluormethan umgesetzt, das dann zu Tetrafluorethylen erhitzt und unter hohem Druck mit einem Peroxid-Initiator zu PTFE polymerisiert wird.

Fluorierungsreaktionen werden entweder mit nukleophilen oder elektrophilen Reagenzien durchgeführt. Elementares Fluorgas ist eine gängige Quelle für elektrophiles Fluor, aber es ist hochreaktiv, korrosiv und giftig und erfordert eine spezielle Ausrüstung und große Sorgfalt bei der Verwendung. Außerdem ist es so aggressiv, dass es schwierig ist, die Reaktionsspezifität zu kontrollieren. Aus diesem Grund wurde eine Reihe von Verbindungen synthetisiert, die sicher elektrophiles Fluorid bereitstellen und eine bessere Reaktionsspezifität bieten. SelectFluor [1-Chlormethyl-4-fluor-1,4-diazoniabicyclo[2.2.2]octan bis(tetrafluoroborat)] und NFSI [N -Fluorbenzolsulfonimid] liefern elektrophiles Fluor und sind beides stabile Feststoffe, die z.B. die Fluorierung von Arylnukleophilen ermöglichen.

Nukleophile Fluorierungen lassen sich leicht mit Verbindungen wie DAST [Diethylaminosulfurtrifluorid] oder den XtalFluors durchführen. DAST wird seit langem zur Fluorierung von Alkoholen, Ketonen und Carbonsäuren verwendet und hat den problematischeren Reaktanten Schwefeltetrafluoridgas weitgehend ersetzt. Neuere nukleophile Fluorierungsmittel, wie XtalFluor-E und XtalFluor-M, sind wirksam für den Ersatz von Hydroxylgruppen und Carbonylen durch Fluor und beseitigen einige der mit DAST verbundenen Probleme (wie die Freisetzung von HF).

Fluor und Fluorierungsreaktionen haben die Polymerindustrie revolutioniert, indem sie Familien von Produkten mit außergewöhnlichen Leistungsmerkmalen geschaffen haben. Die inhärenten Vorteile von Fluorpolymeren, einschließlich der Beständigkeit gegen chemische Angriffe durch Säuren und Basen, ergeben sich aus der Stärke der C-C-Bindung und der noch größeren Stärke der C-F-Bindung. In PTFE zum Beispiel bildet die Position der Fluoratome im Wesentlichen eine Hülle um das Kohlenstoffgerüst, die die C-C-Bindungen vor Angriffen schützt. Fluorpolymere werden in der Regel in rauen chemischen und Hochtemperaturanwendungen eingesetzt. Fluorelastomere sind das bevorzugte Material für Dichtungen, die sowohl in der chemischen Industrie als auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden. Der niedrige Reibungskoeffizient von Fluorpolymeren macht sie zu wertvollen Spezialschmierstoffen und Beschichtungen.

Zu den häufig verwendeten Fluorpolymeren gehören:

• PTFE (Polytetrafluorethylen) als Drahtisolierung
• PFA (Perfluoralkoxyalkan) in Rohrleitungen und Armaturen in der chemischen Industrie
• FEP (fluoriertes Ethylenpropylen) als Kunststoff-Laborkleidung und Trennfolie bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen
• ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen) für Hochtemperaturanwendungen in der Luft- und Raumfahrt
• PVDF (Polyvinylidenfluorid) als Rohrleitungsmaterial in der chemischen und pharmazeutischen Industrie
• ECTFE (Ethylen-Chlortrifluorethylen) für elektrostatische Pulverbeschichtungen von Metallen

Das Verständnis der Kinetik und Thermodynamik von Fluorierungen ist wichtig, um die Reaktionsziele zu erreichen und die chemischeProzesssicherheit zu gewährleisten. Je nach Substrat, Fluorierungsmittel und Reaktionsbedingungen können Fluorierungen recht energiereich sein und erfordern eine sorgfältige Überwachung und Steuerung; dies gilt insbesondere beim Scale-up der Reaktion. Chemische Synthesereaktoren und Reaktionskalorimeter liefern eine präzise Reaktorkontrolle, messen die Reaktionsenergie und modellieren die Auswirkungen von Variablen auf die Reaktionsleistung. FTIR- und Raman-Spektroskopie verfolgen und überwachen die wichtigsten Reaktionsspezies, um kinetische Daten zu liefern, die vorgeschlagenen Mechanismen zu unterstützen und besser zu verstehen, wie sich Variablen auf den gesamten Reaktionsverlauf und die Leistung auswirken. Wenn es notwendig ist, eine Reaktionsprobe für eine Offline-Analyse zu erhalten, führt EasySampler eine automatisierte, sichere und unbeaufsichtigte Probenahme durch. Forscher verwenden chemische Synthesereaktoren häufig in Verbindung mit Spektroskopie und/oder EasySampler in situ Probenahme, um die Informationen zu erhalten, die für ein gründliches Verständnis von Fluorierungsreaktionen und -prozessen erforderlich sind.

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