náhled|150px|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
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.
Vazba uhlík–fluor je jednou z nejsilnějších v organické chemii, s průměrnou energií okolo 480 kJ/molKirsch, Peer Modern fluoroorganic chemistry: synthesis, reactivity, applications. Wiley-VCH, 2004.. 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. Tato vazba je krátká (kolem 140 pm). 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. Fluor má nejvyšší elektronegativitu: 3,98. Vazby C-F tak mívají velké dipólové momenty (1,41 D). Atomy fluoru mají nejnižší polarizovatelnost: 0,56 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.
vpravo|náhled|250px|Oddělení alkylových a perfluoralkylových sloučenin
vpravo|náhled|150px|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.NAŘÍZENÍ EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY o fluorovaných skleníkových plynech, o změně směrnice (EU) 2019/1937 a o zrušení nařízení (EU) č. 517/2014 (návrh, pdf)
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.G. Siegemund, W. Schwertfeger, A. Feiring, B. Smart, F. Behr, H. Vogel, B. McKusick "Fluorine Compounds, Organic" in "Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry" 2005, Wiley-VCH, Weinheim 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
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
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:
500px|střed
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:
400px|střed|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−:
400px
Biologický význam Biologicky vznikající organofluoridy byly nalezeny u mikroorganismů a rostlin, ovšem nikoliv u živočichů.Murphy C.D., Schaffrath C., O'Hagan D.: "Fluorinated natural products: the biosynthesis of fluoroacetate and 4-fluorothreonine in Streptomyces cattleya" Chemosphere. 2003 Jul;52(2):455-61. 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.