Fluorocarbon

Los perfluoroalcanos son muy estables debido a la fuerza del enlace carbono-flúor , uno de los más fuertes en química orgánica. ^{[ 4 ]} Su fuerza es resultado de la electronegatividad del flúor, que le confiere un carácter iónico parcial a través de cargas parciales en los átomos de carbono y flúor, lo que acorta y fortalece el enlace (en comparación con los enlaces carbono-hidrógeno) mediante interacciones covalentes favorables . Además, los múltiples enlaces carbono-flúor aumentan la fuerza y ​​la estabilidad de otros enlaces carbono-flúor cercanos en el mismo carbono geminal , ya que el carbono tiene una carga parcial positiva mayor. ^{[ 1 ]} Asimismo, los múltiples enlaces carbono-flúor también fortalecen los enlaces carbono-carbono "esqueléticos" debido al efecto inductivo . ^{[ 1 ]} Por lo tanto, los fluorocarbonos saturados son más estables química y térmicamente que sus correspondientes hidrocarburos, y de hecho, que cualquier otro compuesto orgánico. Son susceptibles al ataque de reductores muy fuertes, por ejemplo, la reducción de Birch y complejos organometálicos muy especializados. ^{[ 5 ]}

Los fluorocarbonos son incoloros y tienen una alta densidad, hasta más del doble que la del agua. No son miscibles con la mayoría de los disolventes orgánicos (por ejemplo, etanol, acetona, acetato de etilo y cloroformo), pero sí lo son con algunos hidrocarburos (por ejemplo, hexano en algunos casos). Tienen muy baja solubilidad en agua, y el agua tiene muy baja solubilidad en ellos (del orden de 10 ppm). Tienen bajos índices de refracción .

${\displaystyle {\ce {{\overset {\delta+}{C}}-{\overset {\delta-}{F}}}}}$

Las cargas parciales en el enlace carbono-flúor polarizado

Como la alta electronegatividad del flúor reduce la polarizabilidad del átomo, ^{[ 1 ]} los fluorocarbonos son solo débilmente susceptibles a los dipolos fugaces que forman la base de la fuerza de dispersión de London . Como resultado, los fluorocarbonos tienen bajas fuerzas atractivas intermoleculares y son lipofóbicos además de ser hidrofóbicos y no polares . Como reflejo de las débiles fuerzas intermoleculares, estos compuestos exhiben bajas viscosidades en comparación con líquidos de puntos de ebullición similares , baja tensión superficial y bajos calores de vaporización . Las bajas fuerzas atractivas en los líquidos fluorocarbonados los hacen compresibles (bajo módulo de compresibilidad ) y capaces de disolver gases relativamente bien. Los fluorocarbonos más pequeños son extremadamente volátiles . ^{[ 1 ]} Hay cinco gases perfluoroalcanos: tetrafluorometano (p.e. −128  °C), hexafluoroetano (p.e. −78,2  °C), octafluoropropano (p.e. −36,5  °C), perfluoro-n-butano (p.e. −2,2  °C) y perfluoro-isobutano (p.e. −1  °C). Casi todos los demás fluoroalcanos son líquidos; la excepción más notable es el perfluorociclohexano , que se sublima a 51  °C. ^{[ 6 ]} Los fluorocarbonos también tienen bajas energías superficiales y altas rigideces dieléctricas . ^{[ 1 ]}

• perfluoroalcanos
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  Tetrafluoruro de carbono , el perfluoroalcano más simple
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  Perfluorooctano , un perfluoroalcano lineal
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  Perfluoro-2-metilpentano , un perfluoroalcano ramificado
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  Perfluoro-1,3-dimetilciclohexano , un perfluoroalcano cíclico
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  Perfluorodecalina , un perfluoroalcano policíclico

En la década de 1960, hubo mucho interés en los fluorocarbonos como anestésicos. La investigación no produjo ningún anestésico, pero incluyó pruebas sobre la inflamabilidad y demostró que los fluorocarbonos probados no eran inflamables en el aire en ninguna proporción, aunque la mayoría de las pruebas se realizaron en oxígeno puro u óxido nitroso puro (gases importantes en anestesiología). ^{[ 7 ] [ 8 ]}

En 1993, 3M consideró los fluorocarbonos como extintores de incendios para reemplazar los CFC. ^{[ 9 ]} Este efecto extintor se ha atribuido a su alta capacidad calorífica , que aleja el calor del fuego. Se ha sugerido que una atmósfera que contenga un porcentaje significativo de perfluorocarbonos en una estación espacial o similar evitaría los incendios por completo. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Cuando ocurre la combustión, se producen humos tóxicos, incluidos fluoruro de carbonilo , monóxido de carbono y fluoruro de hidrógeno .

Los perfluorocarbonos disuelven volúmenes relativamente altos de gases. La alta solubilidad de los gases se atribuye a las débiles interacciones intermoleculares en estos fluidos fluorocarbonados. ^{[ 12 ]}

La tabla muestra los valores de la fracción molar, x ₁ , de nitrógeno disuelto, calculados a partir del coeficiente de partición sangre-gas , a 298,15  K (25  °C), 0,101325  MPa. ^{[ 13 ]}

El desarrollo de la industria de los fluorocarbonos coincidió con la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 14 ]} Antes de eso, los fluorocarbonos se preparaban mediante la reacción del flúor con el hidrocarburo, es decir, fluoración directa. Debido a que los enlaces C-C se rompen fácilmente con el flúor, la fluoración directa produce principalmente perfluorocarbonos más pequeños, como el tetrafluorometano, el hexafluoroetano y el octafluoropropano. ^{[ 15 ]}

Los fluoroalcanos son generalmente inertes y no tóxicos. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

Los fluoroalcanos no agotan la capa de ozono , ya que no contienen átomos de cloro ni de bromo, y a veces se utilizan como sustitutos de sustancias químicas que sí la agotan. ^{[ 19 ]} El término fluorocarbono se utiliza de forma bastante imprecisa para incluir cualquier sustancia química que contenga flúor y carbono, incluidos los clorofluorocarbonos , que sí agotan la capa de ozono.

Los perfluoroalcanos utilizados en procedimientos médicos se excretan rápidamente del cuerpo, principalmente a través de la espiración, y la tasa de excreción es función de la presión de vapor; la vida media del octafluoropropano es inferior a 2 minutos, ^{[ 20 ]} en comparación con aproximadamente una semana para la perfluorodecalina. ^{[ 21 ]}

Los perfluoroalcanos de bajo punto de ebullición son potentes gases de efecto invernadero , en parte debido a su muy larga vida útil en la atmósfera, y su uso está cubierto por el Protocolo de Kioto . ^{[ 22 ]} El potencial de calentamiento global (en comparación con el del dióxido de carbono) de muchos gases se puede encontrar en el quinto informe de evaluación del IPCC, ^{[ 23 ]} con un extracto a continuación para algunos perfluoroalcanos.

La industria de la fundición de aluminio ha sido una fuente importante de perfluorocarbonos atmosféricos ( especialmente tetrafluorometano y hexafluoroetano ), producidos como subproductos del proceso de electrólisis. ^{[ 24 ]} Sin embargo, la industria ha participado activamente en la reducción de emisiones en los últimos años. ^{[ 25 ]}

Debido a su inercia, los perfluoroalcanos prácticamente no tienen usos químicos, pero sus propiedades físicas han propiciado su uso en diversas aplicaciones. Entre ellas se incluyen:

• trazador de perfluorocarbono
• Dieléctrico líquido
• deposición química de vapor
• Ciclo Rankine orgánico
• Catálisis bifásica fluorada ^{[ 26 ]}
• Productos cosméticos
• ceras para esquís

Además de varios usos médicos:

• Ecografía con contraste
• Terapéutica de oxígeno
• sustituto de la sangre
• Respiración líquida
• Cirugía ocular ^{[ 27 ]}
• Eliminación de tatuajes ^{[ 28 ]}

Los fluoroalquenos se polimerizan de forma más exotérmica que los alquenos normales. ^{[ 1 ]} Los fluorocarbonos insaturados tienen una fuerza impulsora hacia la hibridación sp ³ debido a que los átomos de flúor electronegativos buscan una mayor proporción de electrones de enlace con carácter s reducido en los orbitales. ^{[ 1 ]} El miembro más famoso de esta clase es el tetrafluoroetileno , que se utiliza para fabricar politetrafluoroetileno (PTFE), más conocido por el nombre comercial Teflon .

Los fluoroalquenos y alquinos fluorados son reactivos y muchos son tóxicos, por ejemplo el perfluoroisobuteno . ^{[ 29 ] [ 30 ]} Para producir politetrafluoroetileno se utilizan varios surfactantes fluorados , en el proceso conocido como polimerización en emulsión , y el surfactante incluido en el polímero puede bioacumularse.