Φθορομεθάνιο

Το φθορομεθάνιο^[1] (αγγλικά fluoromethane) είναι οργανική χημική ένωση, με μοριακό τύπο CH₃F. Με βάση το σύστημα κωδικής ονομασίας ψυκτικών, που ξεκίνησε με τους φθοροχλωράνθρακες, έχει τον κωδικό HFC-41 ή R-41. Πιο συγκεκριμένα, το φθορομεθάνιο είναι αλαλκάνιο, δηλαδή είναι άκυκλο κορεσμένο μονοαλογονίδιο. Το χημικά καθαρό φθορομεθάνιο, στις «κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος», δηλαδή σε θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο, μη τοξικό αέριο. Έχει ανεκτή οσμή, που μοιάζει μ' αυτήν του διαιθυλαιθέρα, ενεργεί δε ως αναισθητικό σε υψηλές συγκεντρώσεις. Είναι πολύ εύφλεκτο, δηλαδή αναφλέγεται στον αέρα, εκλύοντας (σε τέλεια καύση) διοξείδιο του άνθρακα (CO₂), υδρατμούς (Η₂Ο) και πολύ τοξικό υδροφθόριο (HF). Η παραγώμενη φλόγα είναι σχεδόν άχρωμη, όπως αυτή της αιθανόλης (CH₃CH₂OH). Χρησιμοποιείται κυρίως στην παραγωγή ημιαγωγών και (κατ' επέκταση) ηλεκτρονικών προϊόντων. Πιο συγκεκριμένα, η λογική εφαρμογής της ένωσης στην παραγωγή αυτή είναι η ακόλουθη: Με την παρουσία διαλύτη, συνήθως κάποιου υγρού φθοραλκάνιου (RF), το φθορομεθάνιο διίσταται (μερικώς), παράγοντας ιόντα CH₃⁺ και F^-, τα τελευταία από τα οποία χαράζουν εκλεκτικά λεπτά στρώματα ενώσεων του πυριτίου, τα οποία αποτελούν συνήθως την κυριότερη πρώτη ύλη κατασκευής ημιαγωγών ηλεκτρονικών προϊόντων.

Φθορομεθάνιο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Φθορομεθάνιο
Άλλες ονομασίες	Μεθυλοφθορίδιο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	CH3F
Μοριακή μάζα	34,03 amu
Σύντομος συντακτικός τύπος	CH3F
Συντομογραφίες	MeF R41 HFC-41
Αριθμός CAS	593-53-3
SMILES	FC
InChI	1/CH3F/c1-2/h1H3
Αριθμός EINECS	209-796-6
PubChem CID	11638
Δομή
Μήκος δεσμού	C-H: 106 pm C-F: 139 pm
Είδος δεσμού	C-H: σ (2sp3-1s) C-C, C-F: σ (2sp3-2sp3)
Πόλωση δεσμού	C--H+: 3% C+-F-: 43%
Γωνία δεσμού	109° 28'
Μοριακή γεωμετρία	τετραεδρική
Ισομέρεια
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	-141,8 °C
Σημείο βρασμού	-78,2 °C
Κρίσιμη θερμοκρασία	44,9 °C
Κρίσιμη πίεση	6,280 MPa
Πυκνότητα	1,4397 kg/m3 (20 °C) 557 kg/m3 (υγροποιημένο στους 25 °C υπό πίεση κορεσμού)
Διαλυτότητα στο νερό	2,295 kg/m3
Ιξώδες	0,25 cP (0 °C)
Τάση ατμών	3,3 MPa
Εμφάνιση	Άχρωμο αέριο
Χημικές ιδιότητες
Θερμότητα πλήρους καύσης	606,75 kJ
Επικινδυνότητα
Εξαιρετικά εύφλεκτο (F+)
Φράσεις κινδύνου	R45 R46 R12
Φράσεις ασφαλείας	S45 S53
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	4 1 0
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Ονοματολογία

Κατά τη συστηματική ονοματολογία κατά IUPAC, η ένωση θεωρείται υποκατεστημένο μεθάνιο, δηλαδή μεθάνιο, ένα (1) άτομο υδρογόνου του οποίου, έχει αντικατασταθεί από άτομο φθορίου. Πιο αναλυτικά, το πρόθεμα «μεθ-» δηλώνει την παρουσία ενός (1) ατόμου άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-αν-» δείχνει την παρουσία μόνο απλών δεσμών μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει χαρακτηριστικές ομάδες, από αυτές που έχουν χαρακτηριστικές καταλήξεις. Το αρχικό πρόθεμα «φθορο-» δηλώνει την παρουσία ενός (1) ατόμου φθορίου ανά μόριο της ένωσης.

Ο κωδικός HFC-41 παράγεται ως εξής: Το HFC προέρχεται από την αγγλόφωνη σύνθετη λέξη HydroFluoroCarbon. Στο αριθμητικό τμήμα του κωδικού, κατ' αρχή παραλείπεται το ψηφίο 0, που κανονικά θα ήταν πρώτο, δηλώνοντας ότι η ένωση περιέχει 0 + 1 = 1 άτομο άνθρακα (ανά μόριο). Το επόμενο ψηφίο (4) δηλώνει ότι η ένωση περιέχει 4 - 1 = 3 άτομα υδρογόνου (ανά μόριο, πάντα). Τέλος, το τελευταίο ψηφίο (1), σημαίνει ότι η ένωση περιέχει ένα (1) άτομο φθορίου.

Μοριακή δομή

Η μοριακή δομή του είναι τετραεδρική, με το άτομο άνθρακα στο κέντρο του και τα τρία άτομα υδρογόνου και το άτομο φθορίου στις κορυφές του (αλλά βέβαια, το νοητό τετράεδρο που σχηματίζεται δεν είναι ακριβώς κανονικό, γιατί το μήκος δεσμού C-F είναι λίγο μεγαλύτερο από τα μήκη δεσμού C-H).

Η ενέργεια δεσμού C-F ανέρχεται σε 552 kJ/mol. Η ειδική θερμοχωρητικότητά του είναι C_p = 38,171 J/(mole·K) στους 25 °C. Ο δεσμός αυτός είναι πολύ σταθερός και έχει μεγάλη πολικότητα, αγγίζοντας τα όρια ετεροπολικού δεσμού.

Δεσμοί[2]
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
C-H	σ	2sp3-1s	109 pm	3% C- H+
C-F	σ	2sp3-2sp3	139 pm	43% C+ F-
Κατανομή φορτίων σε ουδέτερο μόριο
F	-0,43
H	+0,03
C	+0,34

Παραγωγή

Με υποκατάσταση υδροξυλίου από φθόριο

Με επίδραση υδροφθορίου (HF) σε μεθανόλη (CH₃OH) μπορεί να υποκατασταθεί το ενδιάμεσα παραγώμενο υδροξώνιο (H₃O⁺) από φθόριο^[3]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}OH+HF{\xrightarrow {ZnF_{2}}}CH_{3}F+H_{2}O} }$

Με υποκατάσταση χλωρίου από φθόριο

Με επίδραση φθοριούχου υφυδραργύρου (Hg₂F₂) σε χλωρομεθάνιο (CH₃Cl) μπορεί να υποκατασταθεί το χλώριο από φθόριο, γιατί ο σχηματισμός δυσδυάλυτου χλωριούχου υφυδραργύρου (Hg₂Cl₂) μετακινεί τη χημική ισορροπία της αντίδρασης προς τα δεξιά^[4]:

${\displaystyle \mathrm {2CH_{3}Cl+Hg_{2}F_{2}{\xrightarrow {}}2CH_{3}F+Hg_{2}Cl_{2}\downarrow } }$

Χημικές ιδιότητες και παράγωγα

Υποκατάσταση από χλώριο

Με επίδραση χλωριούχου ασβεστίου (CaCl₂) σε φθορoμεθάνιο παράγεται χλωρομεθάνιο (CH₃Cl):

${\displaystyle \mathrm {2CH_{3}F+CaCl_{2}{\xrightarrow {}}2CH_{3}Cl+CaF_{2}\downarrow } }$

Υποκατάσταση από φαινύλιο

Με επίδραση τύπου Friedel-Crafts σε βενζόλιο παράγεται τολουόλιο^[5]:

${\displaystyle \mathrm {PhH+CH_{3}F{\xrightarrow {AlF_{3}}}PhCH_{3}+HF} }$

Υποκατάσταση από μέταλλα

1. Με λίθιο (Li). Παράγεται μεθυλολίθιο^[6]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}F+2Li{\xrightarrow {|Et_{2}O|}}CH_{3}Li+LiF} }$

2. Με μαγνήσιο (Mg) παράγεται μεθυλομαγνησιοφθορίδιο (αντιδραστήριο Grignard)^[7]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}F+Mg{\xrightarrow {|Et_{2}O|}}CH_{3}MgF} }$

Περιφθορίωση

Το φθορομεθάνιο αντιδρά με το τριφθοριούχο κοβάλτιο (CoF₃), αντικαθιστώντας όλα τα άτομα υδρογόνου με άτομα φθορίου. Έτσι παράγεται (κυρίως) tετραφθοράνθρακας (CF₄)^[8]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}2F+3CoF_{3}{\xrightarrow {}}CF_{4}+3HF+3CoF_{2}} }$

Αναγωγή

1. Με λιθιοαργιλιοϋδρίδιο (LiAlH₄) παράγεται μεθάνιο^[9]:

${\displaystyle \mathrm {4CH_{3}F+LiAlH_{4}{\xrightarrow {}}4CH_{4}+LiF+AlF_{3}} }$

2. Με «υδρογόνο εν τω γενάσθαι», δηλαδή μέταλλο + οξύ παράγεται μεθάνιο^[10]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}F+Zn+HCl{\xrightarrow {}}CH_{4}+ZnClF} }$

3. Με σιλάνιο, παρουσία τριφθοριούχου βορίου παράγεται μεθάνιο^[11]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}F+SiH_{4}{\xrightarrow {BF_{3}}}CH_{4}+SiH_{3}F} }$

4. Αναγωγή από αλκυλοκασσιτεράνιο. Π.χ.^[12]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}F+RSnH_{3}{\xrightarrow {}}CH_{4}+RSnH_{2}F} }$

Αντιδράσεις προσθήκης

1. Σε αλκένια. Π.χ. με αιθένιο (CH₂=CH₂) παράγει 1-φθοροπροπάνιο (CH₃CH₂CH₂F)^[13]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}F+CH_{2}=CH_{2}{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}F} }$

2. Σε αλκίνια. Π.χ. με αιθίνιο (HC≡CH) παράγει 1-φθοροπροπένιο (CH₃CH=CHF)^[14]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}F+HC\equiv CH{\xrightarrow {}}CH_{3}CH=CH_{2}F} }$

3. Η αντίδραση του φθορομεθανίου με συζυγή αλκαδιένια αντιστοιχεί κυρίως σε 1,4-προσθήκη, αν και είναι επίσης δυνατές η 1,2-προσθήκη και η 3,4-προσθήκη, με τη χρήση κατάλληλων συνθηκών. Π.χ^[15]:

${\displaystyle \mathrm {RCH=CHCH=CH_{2}+CH_{3}F{\xrightarrow {}}RCHFCH=CHCH_{2}CH_{3}} }$ (1,4-προσθήκη)
${\displaystyle \mathrm {RCH=CHCH=CH_{2}+CH_{3}F{\xrightarrow {}}RCH=CHCHFCH_{2}CH_{3}} }$ (1,2-προσθήκη)
${\displaystyle \mathrm {RCH=CHCH=CH_{2}+CH_{3}F{\xrightarrow {}}{\frac {1}{2}}RCHFCH(CH_{3})CH=CH_{2}+{\frac {1}{2}}RCH(CH_{3})CHFCH=CH_{2}} }$ (3,4-προσθήκη)

4. Σε κυκλοαλκάνια που έχουν τριμελή ή τετραμελή δακτύλιο. Π.χ. με κυκλοπροπάνιο παράγει 1-φθοροβουτάνιο^[16]:

${\displaystyle \mathrm {+CH_{3}F{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}CH_{2}CH_{2}F} }$

5. Σε ετεροκυκλικές ενώσεις που έχουν τριμελή ή τετραμελή δακτύλιο. Π.χ. με οξιράνιο παράγει μεθοξυ-2-φθοραιθάνιο^[17]:

${\displaystyle \mathrm {+CH_{3}F{\xrightarrow {}}FCH_{2}CH_{2}OCH_{3}} }$

Παραγωγή και παρεμβολή μεθυλενίου

Με επίδραση πυκνού διαλύματος υδροξείδιου του καλίου αποσπάται υδροφθόριο παράγοντας μεθυλένιο^[18]:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}F+KOH{\xrightarrow {}}[:CH_{2}]+KF+H_{2}O} }$

• Το ασταθές μεθυλένιο στη συνέχεια συμπεριφέρεται σα δίριζα και παρεμβάλλεται σε δεσμούς C-Η ή προσθέτεται σε πολλαπλούς δεσμούς, σχηματίζοντας τριμελείς δακτύλιους. Παραδείγματα:

1. Παρεμβολή στον εαυτό του:

${\displaystyle \mathrm {2CH_{3}F+KOH{\xrightarrow {}}CH_{3}CH_{2}F+KF+H_{2}O} }$

2. Παρεμβολή και προσθήκη στο αιθένιο:

${\displaystyle \mathrm {CH_{2}=CH_{2}+CH_{3}F+KOH{\xrightarrow {}}{\frac {4}{5}}CH_{3}CH=CH_{2}+KF+H_{2}O+{\frac {1}{5}}} }$

3. Παρεμβολή και προσθήκη στο αιθίνιο:

${\displaystyle \mathrm {HC\equiv CH+CH_{3}F+KOH{\xrightarrow {}}{\frac {2}{3}}CH_{3}C\equiv CH+KF+H_{2}O+{\frac {1}{3}}} }$

4. Παρεμβολή και προσθήκη στο βενζόλιο:

${\displaystyle \mathrm {PhH+CH_{3}F+KOH{\xrightarrow {}}{\frac {1}{2}}PhCH_{3}+KF+H_{2}O+{\frac {1}{2}}} }$

5. Παρεμβολή και προσθήκη στη μεθανάλη:

${\displaystyle \mathrm {HCHO+CH_{3}F+KOH{\xrightarrow {}}KF+H_{2}O+{\frac {2}{3}}CH_{3}CHO+{\frac {1}{3}}} }$

Δείτε επίσης

• Υδροφθόριο
• Φθοροχλωράνθρακες
• Διφθορομεθάνιο
• Τριφθορομεθάνιο
• Τετραφθοράνθρακας
• Χλωρομεθάνιο
• Βρωμομεθάνιο
• Ιωδομεθάνιο
• Φθοραιθάνιο
• Φθοροβενζόλιο
• Φθοροσιλάνιο

Πηγές πληροφόρησης

1. SCHAUM'S OUTLINE SERIES, «ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ», Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999
2. «Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας» Ν. Α. Πετάση 1982
3. Αναστάσιου Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991
4. Καραγκιοζίδη Σ. Πολυχρόνη, «Ονοματολογία Οργανικών Ενώσεων στα Ελληνικά & Αγγλικά» Β΄ ΈκδοσηΘεσσαλονίκη 1991
5. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, «Γενική Οργανική Χημεία», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985
6. Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη, «Ειδικά Μαθήματα Οργανικής Χημείας», ΑΠΘ, θεσσαλονίκη 1983
7. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Φαίδωνα Χατζημηχαλάκη, «Εργαστηριακός Οδηγός», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1986
8. Νικολάου Ε. Αλεξάνδρου, Αναστάσιου Βάρβογλη, Δημητρίου Ν. Νικολαΐδη: «Χημεία Ετεροκυκλικών Ενώσεων», Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη 1985