Φθοραιθένιο

Το φθοραιθένιο (αγγλικά: fluoroethene) είναι οργανική χημική ένωση, που περιέχει άνθρακα, υδρογόνο και φθόριο, με μοριακό τύπο C2H3F, αλλά συνήθως αποδίδεται με τον ημισυντακτικό τύπο CH2=CHF ή και συντομογραφικά ViF. Με βάση το σύστημα κωδικής ονομασίας που ξεκίνησε με τους φθοροχλωράθρακες έχει τον κωδικό HFC-1141 ή R-1141..Ανήκει στην ομόλογη σειρά των αλαλκενίων, δηλαδή στα άκυκλα μονοακόρεστα, δηλαδή με ένα διπλό δεσμό, οργανομονοαλογονίδια. Το χημικά καθαρό φθοραιθένιο, στις «συνηθισμένες συνθήκες», δηλαδή θερμοκρασία 25°C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο και εύφλεκτο αέριο. Έχει μια λιποθυμική οσμή, που μοιάζει μ' αυτήν του διαιθυλαιθέρα. Η κύρια εφαρμογή του είναι η παραγωγή πολυβινυλοφθορίδιου (PVF). Έχει θερμότητα εξαέρωσης 361 kJ/kg.

 Η ονομασία «φθοραιθένιο» προέρχεται από την ονοματολογία κατά IUPAC. Συγκεκριμένα: Η ονομασία διαιρείται σε δύο (2) κύρια τμήματα: Το δεξί αναφέρεται στη δομή της «κύριας ανθρακικής» αλυσίδας που φέρει την «κύρια χαρακτητιστική ομάδα», εφόσον υπάρχει και προβλέπεται γι' αυτήν χαρακτηριστική κατάληξη, ενώ το αριστερό στους «υποκαταστάτες» (δηλαδή τυχόν «δευτερεύουσες χαρακτηριστικές ομάδες» ή και κύριες χαρακτηριστικές ομάδες για τις οποίες δεν έχουν προβλεδθεί χαρακτηριστικές καταλήξεις) ή και τις «διακλαδώσεις» (δηλαδή τυχόν δευτερεύουσες ανθρακικές αλυσίδες). Στη συγκεκριμένη ένωση, υπάρχει το αρχικό πρόθεμα «φθορ(ο)-» που δηλώνει την ύπαρξη ενός (1) ατόμου φθορίου ως κύριας χαρακτηριστικής ομάδας αλλά χωρίς προβλεπόμενη κατάληξη. Ως προς το τμήμα που αφορά την κύρια ανθρακική αλυσιδα ισχύουν τα ακόλουθα: το πρόθεμα «αιθ-» δηλώνει την παρουσία δύο (2) ατόμων άνθρακα ανά μόριο της ένωσης, το ενδιάμεσο «-εν-» δείχνει την παρουσία ενός (1) διπλού δεσμού μεταξύ ατόμων άνθρακα στο μόριο και η κατάληξη «-ιο» φανερώνει ότι δεν περιέχει κύρια χαρακτηριστική ομάδα και προβλεπόμενη χαρακτηριστική κατάληξη. Ο κωδικός HFC-1141 παράγεται ως εξής: Το HFC προέρχεται από την αγγλόφωνη λέξη HydroFluoroCarbon. Το πρώτο ψηφίο σημαίνει ότι η ένωση περιέχει ένα (1) διπλό δεσμό. Το δεύτερο ψηφίο (1) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 1+1 = 2 άτομα άνθρακα (ανά μόριο). Το τρίτο ψηφίο (4) σημαίνει ότι η ένωση περιέχει 4 - 1 = 3 άτομα υδρογόνου. Και, τέλος, το τελευταίο ψηφίο (1), σημαίνει ότι η ένωση περιέχει ένα (1) άτομο φθορίου. Το φθοραιθένιο έχει επίπεδη μοριακή δομή, παρόμοια με εκείνην του αιθενίου, με τη διαφορά της παρουσίας ενός ατόμου φθορίου αντί ενός ατόμου υδρογόνου. Η παρουσία του ατόμου φθορίου δεν αλλάζει μόνο το μήκος δεσμού, ούτε απλά καταργεί τη μοριακή συμμετρία του αιθενίου, αλλά προσθέτει επίσης ένα δεσμό C-F υψηλής πόλωσης, λόγω σημαντικής διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας άνθρακα - φθορίου. Η παραγωγή του αναφέρθηκε για πρώτη φορά το 1901 από το Φρέντερικ Σβαρτς (Frédéric Swarts), ένα Βέλγο χημικό, που ήταν επίσης ο πρώτος που παρήγαγε ένα φθοροχλωράνθρακα (CFC) το 1892. Ο Σβαρτς χρησιμοποιήσε την αντίδραση του ψευδαργύρου με 2-βρωμο-1,1-διφθοραιθάνιο: Στις μέρες μας παράγεται βιομηχανικά με δυο τρόπους: 1. Προσθήκη υδροφθορίου σε αιθίνιο, με χρήση υδραργύρου ως καταλύτη: 2. Με απόσπαση υδροχλωρίου από 1-φθορο-1-χλωραιθάνιο: Από αλοφθοραιθάνιο Με απόσπαση ενός ισοδυνάμου υδραλογόνου από 1-αλο-1-φθοροαιθάνιο ή 1-αλο-2-φθοροαιθάνιο, με καλύτερα αποτελέσματα αν το άλλο αλογόνο δεν είναι κι εκείνο φθόριο, παράγεται βινυλοφθορίδιο: Με αφυδάτωση 2-φθοροαιθανόλης Με ενδομοριακή αφυδάτωση 2-φθοροαιθανόλης παράγεται βινυλοφθορίδιο. Η αντίδραση ευνοείται σε σχετικά υψηηλές θερμοκρασίες, >150 °C: Με απόσπαση αλογόνου Με απόσπαση αλογόνου (X2) από 1,2-διαλο-1-φθοροαιθάνιο παράγεται βινυλοφθορίδιο. Καλύτερη απόδοση αν τα άλλα αλογόνα δεν είναι κι εκείνα φθόριο: Με μερική καταλυτική υδρογόνωση Με μερική καταλυτική υδρογόνωση φθοροαιθινίου παράγεται βινυλοφθορίδιο Από βινυλοχλωρίδιο Με επίδραση φθοριούχου υφυδραργύρου (Hg2F2) σε βινυλοχλωρίδιο παράγεται βινυλοφθορίδιο: Παρέχει δυνατότητες αντίδρασης προσθήκης στο διπλό του δεσμό. Αν η προσθήκη γίνεται από δίπολο τύπου δ+A-Bδ-, τότε βάσει του κανόνα Μαρκόβνικοβ, η προσθήκη γίνεται (γενικά) ως εξής: Η παρουσία του φθορίου παρέχει επίσης δυνατότητα απόσπασης υδροφθορίου, κυρίως με το μηχανισμό E1 και πολύ περιορισμένες δυνατότητες υποκατάστασης, κυρίως με το μηχανισμό SN1. Ενυδάτωση 1. Επίδραση θειικού οξέος και στη συνέχεια νερού (ενυδάτωση). Παράγεται αιθανάλη: Αρχικά παράγεται 1-φθοροαιθανόλη που αφυδροφθοριώνεται παράγοντας αιθενόλη, η οποία τελικά ισομερειώνεται σε αιθανάλη.2. Υδροβορίωση και στη συνέχεια επίδραση με υπεροξείδιο του υδρογόνου. Παράγεται τρι(2-φθοροαιθυλο)βοράνιο και στη συνέχεια 2-φθοραιθανόλη: Προσθήκη διβορανίου έχει το ίδιο αποτέλεσμα.3. Αντίδραση με οξικό υδράργυρο και έπειτα αναγωγή, αρχικά παράγεται 1-φθοροαιθανόλη που αφυδροφθοριώνεται παράγοντας αιθενόλη, η οποία τελικά ισομερειώνεται σε αιθανάλη: 4. Υπάρχει ακόμη η δυνατότητα αλλυλικής υδροξυλίωσης κατά Prins με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε βινυλοφθορίδιο απουσία νερού. Π.χ. με μεθανάλη προκύπτει 2-φθορο-2-προπεν-1-όλη: Προσθήκη υποαλογονώδους οξέως Με επίδραση (προσθήκη) υποαλογονώδους οξέος (HOX) σε βινυλοφθορίδιο παράγεται αλαιθανάλη: Το HOX παράγεται συνήθως επιτόπου με την αντίδραση: Αρχικά παράγεται 2-αλο-1-φθοροαιθανόλη που αφυδροφθοριώνεται παράγοντας 2-αλοαιθενόλη, η οποία τελικά ισομερειώνεται σε αλοαιθανάλη. Καταλυτική υδρογόνωση Με καταλυτική υδρογόνωση βινυλοφθοριδίου σχηματίζεται αιθυλοφθορίδιο. Π.χ.: Αλογόνωση Με επίδραση αλογόνου (X2) (αλογόνωση) σε βινυλοφθορίδιο έχουμε προσθήκη στο διπλό δεσμό. Παράγεται 1,2-διαλο-1-φθοροαιθάνιο. Π.χ.: Υδραλογόνωση Με προσθήκη υδραλογόνων (HX) (υδραλογόνωση) σε βινυλοφθορίδιο παράγεται 1-αλο-1-φθοροαιθάνιο: Υδροκυάνωση Με προσθήκη υδροκυανίου (HCN) (υδροκυάνωση) σε βινυλοφθορίδιο παράγεται 2-φθοροπροπανονιτρίλιο: Καταλυτική φορμυλίωση Με προσθήκη μεθανάλης (CO + H2) σε βινυλοφθορίδιο παράγεται μίγμα 2-φθοροπροπανάλης και 3-φθοροπροπανάλης. Π.χ.: Τα παραπάνω μέταλλα που αναφέρονται στη θέση του καταλύτη χρησιμοποιούνται με τη μορφή συμπλόκων τους και όχι σε μεταλλική μορφή. Όπου x ∈ [ 0 , 1 ] {\displaystyle \mathrm {x\in [0,1]} } . Εξαρτάται απο την επιλογή του καταλύτη. Οι σχετικά ογκώδεις καταλύτες ευνοούν το δεύτερο παραγωγο. Διυδροξυλίωση Η διυδροξυλίωση προπενίου, αντιστοιχεί σε προσθήκη H2O2: 1. Επίδραση αραιού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου. Παράγει υδροξυαιθανάλη: 2. Επίδραση καρβονικού οξέος και υπεροξείδιου του υδρογόνου. Παράγει υδροξυαιθανάλη: 3. Μέθοδος Sharpless. Παράγει υδροξυαιθανάλη: 4. Μέθοδος Woodward. Παράγει προπανοδιόλη-1,2: Στις μεθόδους 1-4 παράγεται αρχικά 1-φθοροαιθανοδιόλη-1,2 που αφυδροφθοριώνεται σχηματίζοντας αιθενοδιόλη-1,2 που με τη σειρά της ισομερειώνεται σε υδροξυαιθανάλη.5. Υπάρχει ακόμη δυνατότητα για 1,3-διυδροξυλίωση με επίδραση αλδευδών ή κετονών σε βινυλορθορίδιο, παρουσία νερού. Αντίδραση Prins. Π.χ. με μεθανάλη παράγεται 2-φθοροπροπανοδιόλη-1,3: Οζονόλυση Με επίδραση όζοντος (οζονόλυση) σε προπένιο, παράγεται ασταθές οζονίδιο που τελικά διασπάται σε μεθανάλη και φορμυλοφθορίδιο: Επίδραση πυκνού υπερμαγγανικού καλίου Με επίδραση πυκνού διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου (KMnO4) παράγονται μεθανικό οξύ και φθορομεθανικό οξύ: Προσθήκη αλδεΰδών ή κετονών κατά Prins Με επίδραση περίσσειας αλδευδών ή κετονών σε βινυλοφθορίδιο απουσία νερού, σε χαμηλή θερμοκρασία παράγεται παράγωγο διοξανίου. Π.χ. με μεθανάλη παράγεται σχεδόν ισομοριακό μίγμα 4-φθορο-1,3-διοξάνιου και 5-φθορο-1,3-διοξάνιου: Αντίδραση Diels–Adler Κατά την επίδραση αλκαδιενίου (διένιου) σε βινυλοφθορίδιο (διενόφιλο) έχουμε την ονομαζόμενη (αντίδραση Diels–Adler) που στην περίπτωση αυτή οδηγεί σε παραγωγή παραγώγων κυκλοεξενίου. Π.χ. με βουταδιένιο-1,3 παίρνουμε 4-φθοροκυκλοεξένιο: Αντίδραση Pauson-Khand Κατά την επίδραση αλκίνια και μονοξειδίου του άνθρακα σε βινυλοφθορίδιο έχουμε την ονομαζόμενη αντίδραση Pauson-Khand που στην περίπτωση αυτή οδηγεί σε παραγωγή παραγώγων κυκλοπεντόνης. Π.χ. με αιθίνιο παράγονται 4-φθοροκυκλοπεντεν-2-όνη και 5-φθοροκυκλοπεντεν-2-όνη: Πολυμερισμός Διακρίνονται τα ακόλουθα είδη πολυμερισμού βινυλοφθορίδιο, που όλα παράγουν πολυβινυλοφθορίδιο (PVF):1. Κατιονικός. Π.χ.: 2.. Ελευθέρων ριζών. Π.χ.: Όπου v ο βαθμός πολυμερισμού. Ο δεσμός C-F είναι (γενικά) πολύ ισχυρός για να επιτρέψει την ποσοτική υποκατάσταση του φθορίου, εκτός από ελάχιστες περιπτώσεις. Υποκατάσταση από χλώριο Με επίδραση χλωριούχου ασβεστίου σε φθοραιθένιο παράγεται χλωραιθένιο: Υποκατάσταση από φαινύλιο Με επίδραση τύπου Friedel-Crafts σε βενζόλιο παράγεται στυρόλιο: Υποκατάσταση από μέταλλα 1. Με λίθιο (Li). Παράγεται βινυλολίθιο: 2. Με μαγνήσιο (Mg) παράγεται βινυλομαγνησιοφθορίδιο (αντιδραστήριο Grignard): Με επίδραση διαλύματος υδροξειδίου του νατρίου (NaOH) σε αλκοόλη αφυδροφθοριώνεται προς αιθίνιο: Κατά την προσθήκη μεθυλενίου σε 1-φθοροπροπένιο σχηματίζεται μίγμα από 1-φθοροβουτένιο-1, 2-φθοροβουτένιο-2, 1-φθορομεθυλοπροπένιο και μεθυλο-1-φθοροκυκλοπροπάνιο. Η αντίδραση είναι ελάχιστα εκλεκτική και αυτό σημαίνει ότι κατά προσέγγιση έχουμε:Παρεμβολή στους δυο (2) δεσμούς CH-H: Παράγεται 1-φθοροπροπένιο, ένα αλκενυλαλογονίδιο. Παρεμβολή στον ένα (1) δεσμό C-H: Παράγεται 2-φθοροπροπένιο, ένα αλκενυλαλογονίδιο. Προσθήκη στον ένα (1) διπλό δεσμό: Παράγεται φθοροκυκλοπροπάνιο, ένα κυκλοαλκυλαλογονίδιο.Προκύπτει επομένως μίγμα 1-φθοροπροπένιου ~50%, 1-φθοροπροπένιου ~25% και 1-φθοροκυκλοπροπάνιου ~25%. Με τη χρήση διιωδομεθάνιου (CH2I2) και ψευδαργύρου (Zn) επικρατεί η προσθήκη, οπότε είναι: Το φθοραιθένιο ταξινομείται από καρκινογόνο κατηγορίας 2Α από το Διεθνή Οργανισμό Ερευνών για τον Καρκίνο. Η συγκεκριμένη ταξινόμιση σημαίνει ότι η ένωση «είναι πιθανό να προξενήσει καρκίνο». Γ. Βάρβογλη, Ν. Αλεξάνδρου, Οργανική Χημεία, Αθήνα 1972 Α. Βάρβογλη, «Χημεία Οργανικών Ενώσεων», παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1991 SCHAUM'S OUTLINE SERIES, ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, Μτφ. Α. Βάρβογλη, 1999 Ασκήσεις και προβλήματα Οργανικής Χημείας Ν. Α. Πετάση 1982