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氟化物

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氟化物
IUPAC名
Fluoride[1]
識別
CAS號 16984-48-8  ✓
PubChem 28179
ChemSpider 26214
SMILES
Gmelin 14905
ChEBI 17051
KEGG C00742
MeSH Fluoride
性質
化學式 F
摩爾質量 19 g·mol−1
熱力學
ΔfHmo298K −333 kJ mol−1
So298K 145.58 J/mol K (氣態)[2]
相關物質
其他陰離子
若非註明,所有數據均出自一般條件(25 ℃,100 kPa)下。

氟化物指含負有機無機化合物。與其他鹵素類似,氟生成單負陰離子(氟離子F)。氟可與除He、Ne和Ar外的所有元素形成二元化合物。從致命毒素沙林到藥品依法韋侖,從難溶的氟化鈣到反應性很強的四氟化硫三氟化氯都屬於氟化物的範疇。

例子

螢石礦物。
螢石礦物。

無機氟化物的水溶液含有F氟化氫根離子HF2[3] 少數無機氟化物溶於水而不顯著水解。無機氟化物的例子有氫氟酸(HF)、氟化鈉(NaF)和六氟化鈾(UF6)。從反應活性上看,氟化物與氯化物和其他鹵化物有顯著不同,由於半徑/電荷比小的緣故而溶劑化傾向更強,更趨近於氫氧化物。Si-F鍵屬於單鍵中鍵能較高的一類,其他矽鹵化物則很容易水解。

氟化物礦物有很多,其中商業上比較重要的是螢石和氟磷灰石。在天然飲用水和食物中都有低濃度的氟化物存在,而地下水中的氟含量則要高一些。海水中平均為1.3ppm[4](1.2~1.5ppm),淡水中的則為0.01-0.3 ppm。[5]

應用

氟化物在現代科技中有重要應用。氫氟酸是製取的最重要的氟化物,主要用於氟代烴鋁氟化物的生產。此外,氫氟酸還有很多特別的應用,如利用它來溶解玻璃[6]

有機合成

含氟試劑在有機合成中有很重要的地位。由於矽對氟有較大的親合力,且矽有擴展其配位數的傾向,現實中常用氟化物來脫去矽醚保護基。例如氟化鈉、四丁基氟化銨(TBAF)和氟化銫等。

酶抑制劑

生物化學中,氟化物常被用為酶抑制劑,通常用於抑制磷酸酶,例如絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶。[7] 其機理可能是替換了酶活性位點中親核性氫氧根[8]氟化鈹氟化鋁結構上與磷酸根相類似,其中間體可與反應的過渡態構型相競爭,因此都可用作酶抑制劑。[9][10]

無機材料

煎鍋通常以聚四氟乙烯作為不粘鍋塗層。
煎鍋通常以聚四氟乙烯作為不粘鍋塗層。

含氟聚合物

含氟聚合物,例如聚四氟乙烯(即特富龍)是化學惰性且對生物無害的材料,應用於外科植入物材料中,譬如冠狀動脈搭橋手術中,[11] 以及作為整容重建外科軟組織的替代品。[12] 它也是不粘鍋塗層和Gore-Tex公司戶外防水透氣型布料的主要材料。

口腔病防治

牙釉質是由氫氧磷酸鈣(Ca5(PO4)3OH)所組成,口腔呈酸性(pH值<5.5)時,氫氧磷酸鈣內的氫氧根離子會與口腔內的酸性成份產生酸鹼反應,造成牙釉質流失鈣質(去礦化)。氟化物能取代氫氧磷酸鈣中的氫氧根離子,而且此過程為放熱反應,所以無須輸入額外能量就能自然發生。反應後會形成不易與酸反應的氟磷酸鈣(Ca5(PO4)3F),且固定住牙釉質表面的鈣離子(再礦化)。但這層包裹牙釉質的氟磷酸鈣薄膜在咀嚼食物時會被磨損,因此需要定期為牙齒補充氟化物[13]。因為氟離子於低濃度時有抑菌作用,高濃度時有殺菌作用,世界衛生組織的報告還指出氟化物會干擾口腔致齲菌的新陳代謝與生長,降低致齲菌的產酸能力。

含氟化合物被用於預防齲齒飲水加氟牙膏等口腔衛生產品中。[14] 起初是用氟化鈉來為飲用水加氟,但後來逐漸被氟矽酸(H2SiF6)及其鹽氟矽酸鈉(Na2SiF6)代替,尤其是在美國。飲水加氟可以預防齲齒,[15][16] 並被美國疾病控制與預防中心(CDC)認為是「20世紀10大公共健康成就之一」。[17] 然而在一些集中供水系統並不發達的國家,政府則採用對食鹽加氟的方法來補充氟。

飲水加氟也受到過質疑,參見對飲水加氟的爭議[18]

氟烷(三氟溴氯乙烷)的結構。
氟烷三氟溴氯乙烷)的結構。

生物醫藥應用

正電子發射計算機斷層掃描技術利用了用氟-18標記的含氟藥物氟去氧葡萄糖,其在衰變到18O時會放出正電子

含氟藥物包括:安定藥(如氟非那嗪)、HIV蛋白酶抑制劑(如替拉那韋)、抗生素(如氧氟沙星和曲氟沙星)以及麻醉劑(如氟烷)。[19] 強C-F鍵可以抵抗肝中的細胞色素P450氧化酶,因此氟原子的引入可以減少藥物代謝[20]

毒性

二異丙基氟磷酸對絲氨酸蛋白酶的不可逆抑制作用。
二異丙基氟磷酸對絲氨酸蛋白酶的不可逆抑制作用。

含氟化合物在結構上可以有很大差異,因此很難概括出氟化物的一般毒性。氟化物的毒性與其反應活性和結構有關,對鹽而言,則是離解出氟離子的能力。 可溶的氟化物,例如最常見的NaF,具有適度的毒性,但已有與急性中毒有關聯的事故及自殺個案被報道出來。[6] 儘管最小致死劑量尚不清楚,已經有報道稱4g NaF對一個成年人足以致命。[21] 少至0.2g的氟矽酸鈉(Na2SiF6)及其含氟更多的化合物可以致死,時間約為5-12小時。[21] 其致毒機理為,氟離子會與血液中的鈣離子結合,生成不溶的氟化鈣,從而進一步造成低血鈣症。由於鈣對神經系統至關重要,其濃度的降低可以是致命的。相應的治療則包括用稀氫氧化鈣氯化鈣溶液以防止進一步的氟吸收,並且注射葡萄糖酸鈣以補充血鈣。[21]氟化氫在相比之下更加危險,因為它具有腐蝕性和揮發性,因此可通過吸入或皮膚吸收而進入人體,造成氟中毒。葡萄糖酸鈣是常用的解毒劑。[22]

有一些有機氟化物是劇毒的,包括有機磷酸酯沙林和二異丙基氟磷酸。它們可在肌神經接合點與膽鹼酯酶反應,並因此阻止神經刺激向肌肉傳遞。[23] 左圖中,抑制劑中反應性強的F-P鍵是絲氨酸活性中心殘基親核進攻的位點,反應後F離子離去,酶則失活。

雖然聚四氟乙烯是化學惰性且無毒的,但在炊具溫度超過260 °C後就會變性,並且在350 °C以上分解。[24] 這些降解產物可能對鳥類是致命的,也有可能在人類中導致類似流感的症狀。[24] 相比之下,脂肪、油和黃油在200 °C以上燒焦變質,而對於肉則是在200-230 °C之間。

在一份1959年(在美國食品藥品監督管理局通過食物加工器材使用之前)的研究中,表明使用普通油時,有塗層的鍋乾熱時放出的煙較普通鍋放出的毒性要小。[25]

參見

參考文獻

  1. ^ Fluorides – PubChem Public Chemical Database. The PubChem Project. USA: National Center for Biotechnology Information. Identification. [2020-05-11]. (原始內容存檔於2013-12-11). 
  2. ^ Chase, M. W. Fluorine anion. NIST: 1–1951. 1998 [July 4, 2012]. (原始內容存檔於2018-11-16). 
  3. ^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
  4. ^ Fluoride in Drinking-water: Background document for development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality 頁面存檔備份,存於互聯網檔案館. World Health Organization, 2004, page 2. Page accessed on February 22, 2007.
  5. ^ Environmental Health Criteria 227: Fluorides 頁面存檔備份,存於互聯網檔案館. World Health Organization, 2002, page 38. Page accessed on February 22, 2007.
  6. ^ 6.0 6.1 Jean Aigueperse, Paul Mollard, Didier Devilliers, Marius Chemla, Robert Faron, Renée Romano, Jean Pierre Cuer, 「Fluorine Compounds, Inorganic」 in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry 2005 Wiley-VCH, Weinheim. DOI 10.1002/14356007.a11 307
  7. ^ Nakai C, Thomas JA. Properties of a phosphoprotein phosphatase from bovine heart with activity on glycogen synthase, phosphorylase, and histone. J. Biol. Chem. 1974, 249 (20): 6459–67. PMID 4370977. 
  8. ^ Schenk G, Elliott TW, Leung E; 等. Crystal structures of a purple acid phosphatase, representing different steps of this enzyme's catalytic cycle. BMC Struct. Biol. 2008, 8 (1): 6 [2008-04-12]. PMID 18234116. doi:10.1186/1472-6807-8-6. (原始內容存檔於2008-04-10). 
  9. ^ Wang W, Cho HS, Kim R; 等. Structural characterization of the reaction pathway in phosphoserine phosphatase: crystallographic "snapshots" of intermediate states. J. Mol. Biol. 2002, 319 (2): 421–31. PMID 12051918. doi:10.1016/S0022-2836(02)00324-8. 
  10. ^ Cho H, Wang W, Kim R; 等. BeF(3)(-) acts as a phosphate analog in proteins phosphorylated on aspartate: structure of a BeF(3)(-) complex with phosphoserine phosphatase. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2001, 98 (15): 8525–30. PMID 11438683. doi:10.1073/pnas.131213698. 
  11. ^ Kannan RY, Salacinski HJ, Butler PE, Hamilton G, Seifalian AM. Current status of prosthetic bypass grafts: a review. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 2005, 74 (1): 570–81. PMID 15889440. doi:10.1002/jbm.b.30247. 
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  13. ^ https://pansci.asia/archives/51260
  14. ^ McDonagh M S, Whiting P F, Wilson P M, Sutton A J, Chestnutt I, Cooper J, Misso K, Bradley M, Treasure E, & Kleijnen J. Systematic review of water fluoridation. British Medical Journal. 2000, 321 (7265): 855–859. doi:10.1136/bmj.321.7265.855. 
  15. ^ Griffin SO, Regnier E, Griffin PM, Huntley V. Effectiveness of fluoride in preventing caries in adults. J. Dent. Res. 2007, 86 (5): 410–5. PMID 17452559. 
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  22. ^ Muriale L, Lee E, Genovese J, Trend S. Fatality due to acute fluoride poisoning following dermal contact with hydrofluoric acid in a palynology laboratory. Ann Occup Hyg. 1996 40, 705-710. PMID 8958774.
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  24. ^ 24.0 24.1 DuPont, Key Questions About Teflon® 頁面存檔備份,存於互聯網檔案館,於03 Dec 2007查閱。
  25. ^ Dale Blumenthal. Is That Newfangled Cookware Safe?. Food and Drug Administration. [2006-05-20]. (原始內容存檔於2006-02-17). 
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