Fluorkohlenstoff

Chemische EigenschaftenBearbeiten

Perfluoralkane sind aufgrund der Stärke der Kohlenstoff–Fluor-Bindung, einer der stärksten in der organischen Chemie, sehr stabil.Seine Stärke ist ein Ergebnis der Elektronegativität von Fluor, das partiellen ionischen Charakter durch partielle Ladungen an den Kohlenstoff- und Fluoratomen verleiht, die die Bindung durch günstige kovalente Wechselwirkungen verkürzen und verstärken. Darüber hinaus erhöhen mehrere Kohlenstoff–Fluor–Bindungen die Festigkeit und Stabilität anderer Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in der Nähe desselben geminalen Kohlenstoffs, da der Kohlenstoff eine höhere positive Teilladung aufweist. Darüber hinaus verstärken mehrere Kohlenstoff-Fluor-Bindungen auch die „skelettartigen“ Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen durch den induktiven Effekt. Daher sind gesättigte Fluorkohlenwasserstoffe chemisch und thermisch stabiler als ihre entsprechenden Kohlenwasserstoffgegenstücke und tatsächlich jede andere organische Verbindung. Sie sind anfällig für Angriffe durch sehr starke Reduktionsmittel, z.B. Birkenreduktion und sehr spezialisierte metallorganische Komplexe.

Fluorkohlenwasserstoffe sind farblos und haben eine hohe Dichte, die bis zu doppelt so hoch ist wie die von Wasser. Sie sind mit den meisten organischen Lösungsmitteln (z. B. Ethanol, Aceton, Ethylacetat und Chloroform) nicht mischbar, aber mit einigen Kohlenwasserstoffen (z. B. Hexan in einigen Fällen) mischbar. Sie haben eine sehr geringe Löslichkeit in Wasser und Wasser hat eine sehr geringe Löslichkeit in ihnen (in der Größenordnung von 10 ppm). Sie haben niedrige Brechungsindizes.

C δ + – F δ − {\displaystyle {\ce {{\Übersatz {\delta+}{C}}-{\Übersatz {\delta-}{F}}}}}

Die Teilladungen in der polarisierten Kohlenstoff-Fluor-Bindung

Da die hohe Elektronegativität von Fluor die Polarisierbarkeit des Atoms verringert, sind Fluorkohlenwasserstoffe nur schwach anfällig für die flüchtigen Dipole, die der Londoner Dispersionskraft zugrunde liegen. Infolgedessen haben Fluorkohlenwasserstoffe niedrige intermolekulare Anziehungskräfte und sind zusätzlich zu hydrophob und unpolar lipophob. Aufgrund der schwachen intermolekularen Kräfte weisen diese Verbindungen im Vergleich zu Flüssigkeiten mit ähnlichen Siedepunkten niedrige Viskositäten, eine geringe Oberflächenspannung und geringe Verdampfungswärme auf. Die niedrigen Anziehungskräfte in Fluorkohlenstoffflüssigkeiten machen sie kompressibel (niedriger Volumenmodul) und können Gas relativ gut auflösen. Kleinere Fluorkohlenwasserstoffe sind extrem flüchtig. Es gibt fünf Perfluoralkangase: tetrafluormethan (bp -128°C), Hexafluorethan (bp -78,2 °C), Octafluorpropan (bp -36,5°C), Perfluor-n-butan (bp -2,2 °C) und Perfluor-iso-butan (bp -1 °C). Fast alle anderen Fluoralkane sind Flüssigkeiten; die bemerkenswerteste Ausnahme ist Perfluorcyclohexan, das bei 51 ° C sublimiert.

• Perfluoralkane

• Tetrafluoridkohlenstoff, das einfachste Perfluoralkan

• Perfluoroctan, ein lineares Perfluoralkan

• Perfluor-2-methylpentan, ein verzweigtes Perfluoralkan

• Perfluor-1,3-dimethylcyclohexan, ein cyclisches Perfluoralkan

• Perfluordecalin, ein polyzyklisches Perfluoralkan

entflammbarkeit

In der in den 1960er Jahren gab es ein großes Interesse an Fluorkohlenwasserstoffen als Anästhetika. Die Forschung ergab keine Anästhetika, aber die Forschung umfasste Tests zur Frage der Entflammbarkeit und zeigte, dass die getesteten Fluorkohlenwasserstoffe in Luft in keinem Verhältnis entflammbar waren, obwohl die meisten Tests in reinem Sauerstoff oder reinem Lachgas durchgeführt wurden (Gase von Bedeutung in der Anästhesiologie).

1993 erwog 3M Fluorkohlenwasserstoffe als Feuerlöschmittel, um FCKW zu ersetzen. Diese Löschwirkung wurde auf ihre hohe Wärmekapazität zurückgeführt, die dem Feuer Wärme entzieht. Es wurde vorgeschlagen, dass eine Atmosphäre, die einen signifikanten Prozentsatz an Perfluorkohlenwasserstoffen auf einer Raumstation oder ähnlichem enthält, Brände insgesamt verhindern würde.Wenn Verbrennung auftritt, resultieren giftige Dämpfe, einschließlich Carbonylfluorid, Kohlenmonoxid und Fluorwasserstoff.

Gaslösungseigenschaftenbearbeiten

Perfluorkohlenwasserstoffe lösen relativ große Mengen an Gasen. Die hohe Löslichkeit von Gasen wird auf die schwachen intermolekularen Wechselwirkungen in diesen Fluorkohlenstoffflüssigkeiten zurückgeführt.

Die Tabelle zeigt Werte für die Molfraktion x1 gelösten Stickstoffs, berechnet aus dem Blut–Gas-Verteilungskoeffizienten, bei 298,15 K (25°C), 0,101325 M Pa.

Die Entwicklung der Fluorkohlenstoffindustrie fiel mit dem Zweiten Weltkrieg zusammen. Zuvor wurden Fluorkohlenwasserstoffe durch Reaktion von Fluor mit dem Kohlenwasserstoff, d. H. Direkte Fluorierung, hergestellt. Da C-C-Bindungen leicht durch Fluor gespalten werden, liefert die direkte Fluorierung hauptsächlich kleinere Perfluorkohlenwasserstoffe wie Tetrafluormethan, Hexafluorethan und Octafluorpropan.

Fowler-Prozessbearbeiten

Ein großer Durchbruch, der die Herstellung von Fluorkohlenwasserstoffen in großem Maßstab ermöglichte, war der Fowler-Prozess. Bei diesem Verfahren wird Kobalttrifluorid als Fluorquelle verwendet. Veranschaulichend ist die Synthese von Perfluorhexan:

C6H14 + 28 CoF3 → C6F14 + 14 HF + 28 CoF2

Das resultierende Kobaltdifluorid wird dann regeneriert, manchmal in einem separaten Reaktor:

2 CoF2 + F2 → 2 CoF3

Industriell werden beide Schritte kombiniert, beispielsweise bei der Herstellung der Flutec-Reihe von Fluorkohlenwasserstoffen durch F2 Chemicals Ltd unter Verwendung eines vertikaler Rührbettreaktor mit Kohlenwasserstoff am Boden und Fluor auf halber Höhe des Reaktors. Der Fluorkohlenstoffdampf wird von oben zurückgewonnen.

Elektrochemische Fluorierungbearbeiten

Die elektrochemische Fluorierung (ECF) (auch als Simons-Prozess bekannt) beinhaltet die Elektrolyse eines in Fluorwasserstoff gelösten Substrats. Da Fluor selbst durch die Elektrolyse von Fluorwasserstoff hergestellt wird, ist ECF ein eher direkter Weg zu Fluorkohlenwasserstoffen. Der Prozess läuft bei niedriger Spannung (5 – 6 V) ab, so dass kein freies Fluor freigesetzt wird. Die Wahl des Substrats ist eingeschränkt, da es idealerweise in Fluorwasserstoff löslich sein sollte. Typischerweise werden Ether und tertiäre Amine eingesetzt. Zur Herstellung von Perfluorhexan wird beispielsweise Trihexylamin verwendet:

N(C6H13)3 + 45 HF → 3 C6F14 + NF3 + 42 H2

Das perfluorierte Amin wird ebenfalls hergestellt:

N(C6H13)3 + 39 HF → N(C6F13)3 + 39H2

Umwelt- und Gesundheitsbedenkenbearbeiten

Fluoralkane sind im Allgemeinen träge und ungiftig.

Fluoralkane sind nicht ozonabbauend, da sie keine Chlor- oder Bromatome enthalten und manchmal als Ersatz für ozonabbauende Chemikalien verwendet werden.Der Begriff Fluorkohlenstoff wird eher lose verwendet, um jede Chemikalie einzuschließen, die Fluor und Kohlenstoff enthält, einschließlich Fluorchlorkohlenwasserstoffe, die ozonschädigend sind. Fluoralkane werden manchmal mit Fluortensiden verwechselt, die signifikant bioakkumulieren.

Perfluoralkane sind nicht bioakkumulierbar; diejenigen, die in medizinischen Verfahren verwendet werden, werden schnell aus dem Körper ausgeschieden, hauptsächlich durch Exspiration mit der Ausscheidungsrate als Funktion des Dampfdrucks; Die Halbwertszeit für Octafluorpropan beträgt weniger als 2 Minuten, verglichen mit etwa einer Woche für Perfluordecalin.

Atmosphärische Konzentration von PFC-14 und PFC-116 im Vergleich zu ähnlichen künstlichen halogenierten Gasen zwischen den Jahren 1978 und 2015 (rechte Grafik). Beachten Sie die logarithmische Skala.

Niedrigsiedende Perfluoralkane sind starke Treibhausgase, teilweise aufgrund ihrer sehr langen atmosphärischen Lebensdauer, und ihre Verwendung ist durch das Kyoto-Protokoll abgedeckt. Das globale Erwärmungspotenzial (im Vergleich zu dem von Kohlendioxid) vieler Gase kann im 5. Sachstandsbericht des IPCC gefunden werden, mit einem Auszug unten für einige Perfluoralkane.

The aluminium die Schmelzindustrie war eine Hauptquelle für atmosphärische Perfluorkohlenwasserstoffe (insbesondere Tetrafluormethan und Hexafluorethan), die als Nebenprodukt des Elektrolyseprozesses anfallen. Die Industrie hat sich jedoch in den letzten Jahren aktiv an der Reduzierung von Emissionen beteiligt.

ApplicationsEdit

Da sie inert sind, haben Perfluoralkane im Wesentlichen keine chemische Verwendung, aber ihre physikalischen Eigenschaften haben zu ihrer Verwendung in vielen verschiedenen Anwendungen geführt. Dazu gehören:

• Perfluorkohlenstoff-Tracer
• Flüssiges Dielektrikum
• Chemische Gasphasenabscheidung
• Organischer Rankine-Zyklus
• Fluorhaltige Zweiphasenkatalyse
• Kosmetik
• Skiwachse

Sowie mehrere medizinische Anwendungen:

• Flüssigkeitsatmung
• Blutersatz
• Kontrastmittelverstärkter Ultraschall
• Augenchirurgie
• Tattooentfernung