氟代烷

氟代烷（通式為${\displaystyle {\ce {R-F}}}$，其中${\displaystyle {\ce {R}}}$代表烷基），屬鹵代烴的一種，指烷烴中的一個或多個氫原子被氟取代的有機化合物。因此氟代烷中只有氟、氫和碳三元素。氟甲烷是結構最簡單的氟代烷。氟代烷的命名跟其他鹵代烷很相似，同樣以IUPAC命名法來命名，找出相應烷烴作爲母體，將氟視作取代基，然後以數字標明其位置^[1]。

分類

氟代烷像醇與其他鹵代烷一樣，可以按照連着氟原子的碳所連的碳之數目來去分成伯（一級）、仲（二級），和叔（三級）氟代烷。例如氟甲烷為一級氟代烷。以下是各種氟代烷的結構：

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  一級氟代烷的結構

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  二級氟代烷的結構

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  三級氟代烷的結構

製備

氟代烷不能直接由烷烴和氟氣的自由基鹵代反應反應得到，因爲這反應會釋放大量的熱，使得碳-碳鍵斷裂，生成碳和氟化氫。但可用活性較低的氟化試劑，如三氟化鈷，來製備氟代烴。^[2][3]這方法又名 Fowler 法 （Fowler process（英语：Fowler process）），反應在高溫進行。

第一步中，二氟化鈷被氟化，生成三氟化鈷。反應式如下：

${\displaystyle {\ce {2 CoF2 + F2 -> 2 CoF3}}}$ 

第二步中，引入有機化合物與三氟化鈷反應:

${\displaystyle {\ce {2CoF3 + R-H -> CoF2 + R-F + HF}}}$ 

例如可以分別由甲烷和己烷來製備四氟化碳與全氟己烷：

${\displaystyle {\ce {CH4 + 8CoF3->CF4 + 8CoF2 + 4HF}}}$ ^[2]

${\displaystyle {\ce {C6H14 + 28 CoF3 -> C6F14 + 14 HF + 28 CoF2}}}$ 

反應涉及到單電子轉移和碳正離子機理。^[4]由於反應中的碳正離子有機會發生重排，所以反應有機會生成很多不同產物。^[5]而三氟化鈷則會變回二氟化鈷，可循環再用。反應機理如下：

 

此外，尚有不少的自由基氟化反應，可以用來製備氟代烷。如下：

• 以二氟化氙為氟化試劑，與羧酸作用，發生自由基脫羧氟化反應^[6]：

   

• 在N-氟代雙苯磺酰胺和氟試劑存在下，叔丁基過酸酯的熱裂可生成氟代烷^[7]：

   

• 在銀^[8]、錳^[9]催化劑存在下，羧酸可脫羧、氟化，生成氟代烷。光氧化還原催化劑也可以觸發反應。^[10][11]

   

反應性

在親核取代反應中，氟代烷的反應性是所有鹵代烷之中最低的。碳-氟鍵是碳-鹵鍵之中最强的，因此最難斷鍵。^[12]同時，由於氫鹵酸的强弱順序為HI>HBr>HCl>HF，鹵素離子（其共軛鹼）的鹼性順序為 F^->Cl^->Br^->I^-。因此氟離子是鹵素離子中最弱的離去基團，氟代烷在親核取代反應中的反應速率也就是所有鹵代烷之中最低的。^[13]

用途

有些氣態的氟代烷可用作冷凍劑。例子有1,1,1,2-四氟乙烷（二氟二氯甲烷的替代品）^[14]、五氟乙烷等。

在醫藥上，據估計有多達五分之一的藥物含有氟，其中有很多藥物都屬於氟代烷。^[15]

對環境的危害

很多氟代烷都是溫室氣體，全球暖化潛勢（GWP）很高，會加劇溫室效應。例如1,1,1,2-四氟乙烷的全球暖化潛勢相當高，100年GWP為1430。^[16]其他屬於溫室氣體的氟代烷有二氟甲烷^[17]、1,1,1-三氟乙烷、五氟乙烷^[18]等。

參見

• 氯代烷
• 溴代烷
• 鹵代烷
• 有機氟化合物
• 碳-氟鍵

参考文献

1. 有机化合物命名原则2017 （页面存档备份，存于互联网档案馆）. 中国化学会. [2018-1-17]
2. 邢, 其毅; 裴, 偉偉; 徐, 瑞秋; 裴, 堅. 第6章. 基礎有機化學. 北京. 2017: 270. ISBN 978-7-301-27212-1 （中文）. 
3. Fowler, R. D.; Burford, W. B., III; Hamilton, J. M., Jr.; Sweet, R. G.; Weber, C. E.; Kasper, J. S.; Litant, I. (1947). "Synthesis of Fluorocarbons." Ind. Eng. Chem. 39: 292–298. doi:10.1021/ie50447a612.
4. Sandford, G. (2003). " Perfluoroalkanes." Tetrahedron 59: 437–454. doi:10.1016/S0040-4020(02)01568-5.
5. Coe, P. L. "Cobalt(III) Fluoride" in Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis (Ed: L. Paquette) 2004, J. Wiley & Sons, New York. DOI: 10.1002/047084289.
6. Tius, Marcus A. Xenon difluoride in synthesis. Tetrahedron. Jun 1995, 51 (24): 6605–6634. doi:10.1016/0040-4020(95)00362-C. 
7. Rueda-Becerril, Montserrat; Chatalova-Sazepin, Claire; Leung, Joe C. T.; Okbinoglu, Tulin; Kennepohl, Pierre; Paquin, Jean-François; Sammis, Glenn M. Fluorine Transfer to Alkyl Radicals. Journal of the American Chemical Society. Mar 2012, 134 (9): 4026–4029. ISSN 0002-7863. PMID 22320293. doi:10.1021/ja211679v. 
8. Yin, Feng; Wang, Zhentao; Li, Zhaodong; Li, Chaozhong. Silver-Catalyzed Decarboxylative Fluorination of Aliphatic Carboxylic Acids in Aqueous Solution. Journal of the American Chemical Society. Jun 2012, 134 (25): 10401–10404. ISSN 0002-7863. PMID 22694301. doi:10.1021/ja3048255. 
9. Huang, Xiongyi; Liu, Wei; Hooker, Jacob M.; Groves, John T. Targeted Fluorination with the Fluoride Ion by Manganese-Catalyzed Decarboxylation. Angewandte Chemie International Edition. Apr 2015, 54 (17): 5241–5245. ISSN 1521-3773. PMID 25736895. doi:10.1002/anie.201500399. 
10. Rueda Becerril, Montserrat; Mahé, Olivier; Drouin, Myriam; Majewski, Marek B.; West, Julian G.; Wolf, Michael O.; Sammis, Glenn M.; Paquin, Jean-François. Direct C–F Bond Formation Using Photoredox Catalysis. Journal of the American Chemical Society. Jan 2014, 136 (6): 2637–2641. PMID 24437369. doi:10.1021/ja412083f. 
11. Ventre, Sandrine; Petronijević, Filip R.; MacMillan, David W. C. Decarboxylative Fluorination of Aliphatic Carboxylic Acids via Photoredox Catalysis. Journal of the American Chemical Society. Apr 2015, 137 (17): 5654–5657. PMC 4862610  . PMID 25881929. doi:10.1021/jacs.5b02244. 
12. Blanksby SJ, Ellison GB. Bond dissociation energies of organic molecules. Acc. Chem. Res. April 2003, 36 (4): 255–63. PMID 12693923. doi:10.1021/ar020230d. 
13. 邢, 其毅; 裴, 偉偉; 徐, 瑞秋; 裴, 堅. 第6章. 基礎有機化學. 北京. 2017: 241–242. ISBN 978-7-301-27212-1 （中文）. 
14. Franklin J. The Atmospheric Degradation and Impact of 1,1,1,2-Tetrafluorethane (Hydrofluorocarbon 134a). Chemosphere. 1993, 27 (8): 1565–1601. doi:10.1016/0045-6535(93)90251-Y. 
15. Ann M. Thayer "Fabulous Fluorine" Chemical and Engineering News, June 5, 2006, Volume 84, pp. 15-24. http://pubs.acs.org/cen/coverstory/84/8423cover1.html （页面存档备份，存于互联网档案馆）
16. Forster, P.; et al. Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. (PDF). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. 2007 [2011-12-23]. （原始内容 (PDF)于2007-12-15）. 
17. . [2008-07-03]. （原始内容存档于2004-08-25）. 
18. epa.gov reported GWP, published Mar-2006