De organofluorchemie beschrijft de chemie van organische verbindingen waarin fluor direct aan koolstof gebonden is. Het effect van de aanwezigheid van fluor in het molecule kan divers zijn, afhankelijk van de structuur van de organische verbinding waarin het fluoratoom een plaats vindt. Ook de toepassingen van organofluorverbindingen zijn divers, gaande van olie- tot waterafstotende stoffen, geneesmiddelen, koudemiddelen, reagentia en katalysatoren. Naast deze bewuste toepassingen zijn een aantal organofluorverbindingen milieuverontreinigende stoffen (PFAS) omdat ze bijdragen aan de vorming van het gat in de ozonlaag en het versterkte broeikaseffect. Omdat de verbindingen vaak slecht biologisch afbreekbaar zijn treedt bioaccumulatie op en zijn veel verbindingen giftig.
Organische verbindingen waarin alle waterstofatomen door fluor vervangen zijn, worden vaak aangeduid als perfluorkoolstofverbindingen. Het alternatief is én alle plaatsen van het molecuul benoemen waar zich een fluoratoom bevindt in plaats van een waterstofatoom én het juiste aantal fluoratomen vermelden in Griekse telwoorden. Vooral de hogere telwoorden zijn niet voor iedereen snel te benoemen. Vergelijk de namen: "1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,5-dodecafluorpentaan" en "perfluorpentaan".
Bij de beoefening van de organofluorchemie wordt vaak gebruikgemaakt van speciale technieken, die meestal samenhangen met het veilig verwerken van gefluorideerde stoffen.
Geschiedenis De geschiedenis van de organofluorchemie start al, gelijk met die van de organische chemie, in het begin van de 19e eeuw. De eerste organofluorverbindingen werden in een matethesereactie gesynthetiseerd met antimoon(III)fluoride als de bron van fluoride. Het feit dat de cfk's, zoals CCl3F en CCl2F2, onbrandbaar en niet toxisch waren trok de aandacht van de industrie in de jaren twintig van de 20e eeuw. In de volgende 10 jaar werd polytetrafluorethyleen door chemici van Du Pont ontdekt.Roy J. Plunkett Chemical Heritage Foundation. Retrieved 10 September 2006. De ontwikkeling tijdens en na de Tweede Wereldoorlog werd in de Verenigde Staten gedragen door de expertise die met fluorverbindingen was opgedaan bij de ontwikkeling van de atoombom waarvoor uranhexafluoride gebruikt werd (en wordt). Vanaf de late jaren veertig werden fluorideringsreacties geïntroduceerd op basis van CoF3. Ongeveer in dezelfde tijd werd elektrochemische fluoridering ("elektrofluorindering") breder toepasbaar, na in de jaren dertig een eerste ontwikkeling te hebben doorgemaakt met als doel zeer stabiele perfluorverbindingen te maken die bestand zouden zijn tegen UF6. Deze nieuwe methodes omzeilden de problemen van het werken met fluorgas enerzijds en boden alternatieven voor de metathese-reacties. In 1957 werd 5-fluoro-uracil als antikankermedicijn beschreven. Dit was een van de eerste publicaties met betrekking tot een rationeel medicijnontwerp. Bovendien leidde deze ontdekking tot een hausse aan gefluorideerde medicijnen en landbouwchemicaliën. Na de ontdekking van XeF4 en andere edelgasverbindingen in 1964 lag de weg open naar een geheel nieuw scala aan reagentia. In de jaren zeventig van de 20e eeuw werd fluordeoxyglucose ontwikkeld als bruikbaar reagens in de 18F positronemissietomografie. In een met de Nobelprijs bekroonde studie werd aangetoond dat cfk's bijdroegen aan het ontstaan van het gat in de ozonlaag. Dit richtte vervolgens de aandacht op de negatieve aspecten van organofluorverbindingen en leidde daarna tot de ontwikkeling van nieuwe synthetische routes naar gefluorideerde verbindingen. In 2002 werd het eerste enzym gevonden, fluorinase, dat in staat was fluor via een biosynthese aan koolstof te koppelen.
Binding tussen koolstof en fluor
De binding tussen koolstof en fluor is een van de sterkste bindingen in de organische chemie en is bovendien relatief kort. De eigenschappen van de binding zijn voor een groot deel toe te schrijven aan de hoge elektronegativiteit van fluor. Een gevolg hiervan is dat de eigenschappen, zowel de fysische als de chemische, sterk kunnen verschillen van de overige koolstof-halogeen-verbindingen. Zo zijn de perfluorverbindingen lipofoob, in tegenstelling tot de overige perhalogeenverbindingen, die juist lipofiel zijn. Ook reageren, zeker in vergelijking met de arylchloriden en bromiden, arylfluoriden zeer traag in de vorming van Grighnardreagentia. Anderzijds ondergaan arylfluoriden, zoals hexafluorbenzeen, soepel een nucleofiele-substitutiereactie. Fluorsubstituenten zijn in deze reactie sterk meta-richtend.
Soorten organofluorverbindingen Fluorkoolwaterstoffen thumb|250px|Figuur 1: Scheiding tussen alkyl- en perfluoralkyldelen van moleculen (waterstof = wit; fluor = groen).CSD entry TULQOG. thumb|250px|Figuur 2: Stapeling van pentafluortolaanmoleculen.
Fluorkoolwaterstoffen, organische verbindingen met slechts één of enkele fluoratomen per molecule, vormen het leeuwendeel van de organofluorverbindingen. Door hun toepassingen als koelvloeistof zijn de atmosferische concentraties snel gestegen, en daarmee hun bijdrage aan het broeikaseffect. De fysische eigenschappen van fluorkoolwaterstoffen lijken sterk op de koolwaterstoffen zonder fluor, hun reactiviteit kan echter sterk afwijken. Zo is bijvoorbeeld zowel uracil als 5-fluoro-uracil een kleurloze, kristallijne vaste stof met een hoog smeltpunt. De eerste speelt een belangrijke rol in de biosynthese van eiwitten, de tweede is een belangrijk geneesmiddel tegen kanker. Het gebruik van fluor in medicijnen vindt zijn oorsprong juist in deze gewijzigde reactiviteit: veel fluorhoudende medicijnen bevatten slechts één fluor- of trifluormethylsubstituent.G. Siegemund, W. Schwertfeger, A. Feiring, B. Smart, F. Behr, H. Vogel, B. McKusick “Fluorine Compounds, Organic” in “Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry” 2005, Wiley-VCH, Weinheim.
De structuur van de organofluorverbindingen is karakteristiek ten gevolge van de polarisatie in de koolstof-fluorbinding. De aanwezigheid van grotere aantallen fluoratomen in een molecuul heeft effect op de manier waarop de moleculen in een kristal gestapeld worden. Zoals in figuur 1 wordt aangegeven hebben perfluordelen van moleculen de neiging niet te mengen met hun waterstof-analoga. Van dit effect wordt gebruikgemaakt als een PFOA-vloeistoffase ingezet wordt bij de verwerking van organofluorpolymeren.
In tegenstelling tot de waterstof-analoga, vormen de perfluoraromaten mengkristallen met niet-gefluorideerde aromaten. De alternerende stapeling ontstaat als een gevolg van donor-acceptor-interacties tussen de verschillende pi-systemen. Pentafluortolaan is een voorbeeld van een molecule dat het fluorgedeelte én het waterstofgedeelte in zich verenigt, zie figuur 2. CSD entry ASIJIV.
Fluorkoolstofverbindingen en derivaten De op fluorkoolstofverbindingen gebaseerde stoffen zijn chemisch en thermisch stabieler dan de overeenkomstige waterstofverbindingen, wat het gevolg is van de sterkte en daarmee de chemische stabiliteit van de koolstof-fluorbinding. Ze zijn ook relatief lipofoob. Door de kleine intermoleculaire krachten, zijn de fluorkoolstofverbindingen uitermate geschikt als smeermiddel. Ze zijn tevens zeer vluchtig. Een aantal fluorkoolstofverbindingen heeft medische toepassingen. Organische verbindingen waarin alle waterstofatomen door fluor vervangen zijn, worden vaak aangeduid als perfluorkoolstofverbindingen. Een belangrijke groep wordt gevormd door de cfk's.
Organofluorpolymeren Het aantal polymere organofluorverbindingen is groot. Bovendien zijn ze commercieel belangrijk. Zowel geheel als gedeeltelijk gefluorideerde polymeren worden aangewend: Teflon (PTFE) is een voorbeeld van een geheel gefluorideerd polymeer; polyvinylideenfluoride ([CH2CF2]n) en polychloortrifluoretheen ([CFClCF2]n) zijn vertegenwoordigers van partieel gefluorideerde polymeren.
Difluorcarbeen 150px|thumb|Figuur 3: Singletcarbeen. 150px|thumb|Figuur 4: π-orbitalen op basis van een drietal p-orbitalen. Zoals op meerdere plaatsen in dit lemma is aangegeven verschilt de reactiviteit van organofluorverbindingen soms aanzienlijk van die van de gewone organische chemie. Een voorbeeld hiervan wordt gevormd door difluorcarbeen, F2C:, dat als singlet voorkomt, terwijl gewoon carbeen (H2C:) als triplet voorkomt. Dit verschil is belangrijk, omdat difluorcarbeen optreedt als intermediair in de synthese van tetrafluoretheen.
De weergave van een singletcarbeen (zie figuur 3) is voor het difluorcarbeen slechts een deel van het plaatje. Zowel R als R' zijn hierbij fluoratomen. Er zijn twee aspecten die een rol spelen: De fluoratomen hebben, net als het centrale koolstofatoom een sp2-hybridisatie, en het in het carbeen niet aangegeven lege p-orbitaal op het koolstofatoom geeft met één p-orbitaal op elk van de fluoratomen aanleiding tot moleculair orbitalen zoals die ook in het allylsysteem optreden. Omdat de p-orbitalen van de fluoratomen elk bezet zijn met twee elektronen zullen de laagste twee MO's van het pseudoallylsysteem bezet zijn. Het plaatsen van een extra elektron in dit systeem is alleen mogelijk in de energetisch zeer ongunstige hoogste MO. Deze zelfde stelling geldt ook voor de andere di-halocarbenen (Cl2,C:, Br2C:, I2C:) maar daar spelen de slechtere overlap van de grotere p-orbitalen van de halogeen-atomen en de (ook) extra knoopvlakken een negatieve rol bij de interactie die tot de MO's leidt. De kleinere interactie betekent een kleiner energieverschil tussen de p-orbitalen en de daaruit gevormde MO's: Het plaatsen van elektronen in de laagste MO levert minder energie, het plaatsen van elektronen in de hoogste MO kost minder energie. De polarisatie in de koolstof-fluor-bindig heeft tot gevolg dat in F2C: het koolstof-atoom een positievere lading krijgt dan in H2C:. De sp2-orbitaal op koolstof zal daardoor een lagere energie krijgen dan in een gewoon carbeen. Samenvattend betekent dit dat de p-orbitaal een hogere energie krijgt in CF2, terwijl de sp2-orbitaal juist een lagere energie vertegenwoordigd. Blijkbaar is in difluorcarbeen de afstotende werking tussen twee elektronen in één orbitaal niet groot genoeg om dat energieverschil goed te maken tussen de twee orbitalen. De elektronen komen in de sp2-orbitaal van het carbeen en geven dus aanleiding tot een singletcarbeen. In carbeen zelf bestaan de orbitalen voor de twee niet-bindende elektronen uit twee orbitalen met gelijke energie, of met slechts een klein energieverschil. Het plaatsen van twee elektronen in één orbitaal kost dan meer energie, dan het gebruiken van de hogere baan: beide banen worden bezet en het gevolg is een tripletcarbeen.
Vorming van de koolstof-fluorbinding Organofluorverbindingen kunnen op een groot aantal manieren gemaakt worden. De keuze van de reactieroute wordt bepaald door het aantal te introduceren fluoratomen, de gewenste regio- of stereoselectiviteit en het type uitgangsstoffen. Voor hoog gefluorideerde koolwaterstoffen kan de directe fluoridering van de overeenkomstige koolwaterstoffen met F2, vaak nog verdund met N2, gebruikt worden:
R3CH + F2 → R3CF + HF
De reacties zijn echter niet selectief, en de verdunning met N2 voorkomt dat de koolwaterstof ongecontroleerd gaat ontbranden, analoog aan het verbranden van koolwaterstoffen in O2. Om zowel de selectiviteit te verhogen als de verbranding te voorkomen zijn een aantal technieken ontwikkeld.
Elektrofiele fluoridering thumb|100px|Structuurformule van selectfluor.
De elektrofiele fluoridering maakt gebruik van een bron van F+. Vaak maken dergelijke reagentia gebruik van een stikstof-fluorbinding, zoals in selectfluor, figuur 5. Asymmetrische fluoridering, waarbij slechts een van de twee mogelijke enantiomeren gevormd wordt uit een prochiraal substraat, maken vaak gebruik van elektrofiele fluorideringsreagentia.
Een illustratief voorbeeld van deze benadering is onderstaande synthese, waarbij slechts het isomeer met het fluoratoom naar de achterzijde van het ringskelet gevormd wordt:
480px|center