三氟化硼
| 三氟化硼 | |||
|---|---|---|---|
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| 識別 | |||
| CAS號 | 7637-07-2  13319-75-0（二水）
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| PubChem | 6356 | ||
| ChemSpider | 6116 | ||
| SMILES |
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| UN編號 | Compressed: 1008. Boron trifluoride dihydrate: 2851. | ||
| EINECS | 231-569-5 | ||
| ChEBI | 33093 | ||
| RTECS | ED2275000 | ||
| 性質 | |||
| 化學式 | BF3 | ||
| 莫耳質量 | 67.8062 g·mol⁻¹ | ||
| 密度 | 2.178 * 103 | ||
| 熔點 | −126 °C | ||
| 沸點 | −100.3 °C | ||
| 溶解性（水） | 無水物劇烈分解[1] 二水物極易溶 | ||
| 溶解性 | 可溶於苯、甲苯、己烷、氯仿和二氯甲烷 | ||
| 危險性 | |||
歐盟危險性符號 劇毒 T+ 腐蝕性 C | |||
| 警示術語 | R：R14, R26, R35 | ||
| 安全術語 | S：S1/2, S9, S26, S28, S36/37/39, S45 | ||
| NFPA 704 |
 0
4
1
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| 閃點 | 非易燃 | ||
| 若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。 | |||
三氟化硼是化學式為BF3的無機化合物，室溫下為無色氣體，在潮濕空氣中發煙。它是很常用的路易斯酸，也常用於製取其它硼化合物。
結構和成鍵[編輯]
與鋁三鹵化物不同的是，硼的三鹵化物都是單體。但快速的鹵素交換反應表明它們也可以發生可逆的二聚反應：
- BF3 + BCl3 → BF2Cl + BCl2F
但混合鹵化物難以分離出純淨物。
BF3中，硼原子為sp2雜化，分子為平面三角形結構，D3h對稱群，與價層電子對互斥理論的預測相吻合。儘管B-F鍵是極性共價鍵，但其分子對稱性抵消了偶極矩，使得偶極矩為0。它與碳酸根離子（CO32−）是等電子體，但不同的是，BF3是缺電子化合物，與路易斯鹼反應放熱。
BF3中的B-F鍵長（1.30 Å）比預測的單鍵鍵長要短，[2] 可能是由於存在大π鍵的緣故。由於三氟化硼是平面結構，因此硼的空p軌道可與三個氟原子的滿p軌道共軛，發生電子離域，從而鍵長變短。[2]
合成[編輯]
- B2O3 + 6 HF → 2 BF3 + 3 H2O
- BO33- + 3 HF → BF3 + 3 OH-
但以上方法產率很低，現在基本上是通過以下兩步反應來製取：
- Na2B4O7 + 12HF → Na2O(BF3)4 + 6H2O
- Na2O(BF3)4 + 2H2SO4 → 4BF3 + 2NaHSO4 + H2O
路易斯酸性[編輯]
三氟化硼是很常用的路易斯酸，可與氟化物和醚之類的路易斯鹼形成加合物：
氟硼酸根離子是非配位陰離子，且實驗室中常以液態的三氟化硼乙醚合物作為BF3的來源。
路易斯酸性相比[編輯]
前三個三鹵化硼（BX3，X = F、Cl、Br）都可與常見路易斯鹼形成加合物，根據反應放熱程度可大概推知它們路易斯酸性的強弱。結果為：
- BF3< BCl3< BBr3（最強）
這個順序表明了三鹵化硼從平面大π鍵變為四面體結構的難易程度，[5] 即BBr3最易，而BF3最難。
但其中的大π鍵強度並不容易衡量。[2] 有一個解釋是，氟原子最小，因此Pz軌道中的孤對電子很容易與硼的空Pz軌道重疊。也因此BF3中的反饋作用比BI3更強。另一個解釋認為，BF3路易斯酸性較弱是因為加合物中F3B-L鍵能低。[6][7]
水解[編輯]
三氟化硼與水反應生成硼酸和氟硼酸。反應一開始生成與水的加合物H2O-BF3，然後失HF：
- 4 BF3 + 3 H2O → 3 HBF4 + H3BO3
其它的三鹵化硼不發生類似的反應，很可能是由於四面體型離子BX4−（X = Cl、Br）不穩定。
由於氟硼酸酸性很強，常用氟硼酸根離子來分離一些用其他方法難以分離的親電性陽離子，尤其是重氮根離子。
有機合成中的應用[編輯]
三氟化硼是有機合成中常用的路易斯酸，其機理可能是因為生成了離子型中間產物。[8]
- 在傅-克烷基化反應中：
- RX + BF3 ⇌ R+ + BF3X−
- R+ + C6H6 ⇌ C6H5R + H+
- 在傅-克醯基化反應中：
- RCOOCH3 + BF3 → RCOOCH3·BF3
- RCOOCH3·BF3 ⇌ RCO+ + CH3OBF3−
- RCO+ + C6H6 → C6H5COR + H+
- H+ + CH3OBF3− ⇌ CH3OH·BF3
- ROH + BF3 → ROH·BF3 ⇌ H+ + ROBF3−
- H+ + ROH ⇌ ROH2+
- ROH2+ + BF3 ⇌ R+ + H2O·BF3
- R+ + ROH → R2O + H+
- 酯化反應中：
- H+ + RCOOH ⇌ RCOOH2+
- RCOOH2+ + BF3 ⇌ RCO+ + H2O
- RCO+ + R'OH → RCOOR' + H+
- HONO2 + BF3 ⇌ NO2+ + HOBF3−
- HOSO3H + BF3 ⇌ SO3H+ + HOBF3−
- NO2+ + C6H6 → C6H5NO2 + H+
- SO3H+ + C6H6 → C6H5SO3H + H+
實際情況中，很有可能以上的離子型中間體以離子對或絡合物的形式出現。
使用[編輯]
三氟化硼具有腐蝕性，可以用含不鏽鋼、蒙乃爾合金和哈斯特合金的金屬材料來處理。但在水存在時，它會腐蝕包括不鏽鋼在內的鋼鐵。
用途[編輯]
- 離子注入中用於摻雜襯底
- 外延生長矽晶體的p型摻雜劑
- 引發不飽和化合物的聚合反應，例如聚醚類
- 某些異構化反應、烷基化反應、酯化反應、縮合反應、Mukaiyama羥醛反應及其他反應中的催化劑
- 用於中子檢測儀中
參見[編輯]
參考資料[編輯]
- ^ Prudent Practices in the Laboratory. nap.edu. 16 August 1995 [7 May 2018]. ISBN 978-0-309-05229-0. doi:10.17226/4911. （原始內容存檔於14 December 2014）.
- ^ 2.0 2.1 2.2 Greenwood, N. N.; A. Earnshaw (1997). Chemistry of the Elements, 2nd Edition, Oxford:Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4.
- ^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
- ^ Flood, D. T.. "Fluorobenzene （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）". Org. Synth.; Coll. Vol. 2: 295.
- ^ Cotton, F. A.; Wilkinson, G.; Murillo, C. A.; Bochmann, M. (1999). Advanced Inorganic Chemistry (6th Edn.) New York: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-19957-5.
- ^ Group V Chalcogenide Complexes of Boron Trihalides Boorman, P. M.; Potts, D. Canadian. Journal of Chemistry (Rev. can. chim.) volume 52, (1974) pp 2016-2020
- ^ T. Brinck, J. S. Murray and P. Politzer. A computational analysis of the bonding in boron trifluoride and boron trichloride and their complexes with ammonia. Inorg. Chem. 1993, 32 (12): 2622–2625. doi:10.1021/ic00064a008.
- ^ 張青蓮等。《無機化學叢書》第二卷。北京：科學出版社。
- ^ Boron trifluoride. Gas Encyclopedia. Air Liquide. [2008-04-23]. （原始內容存檔於2006-12-06）.
外部連結[編輯]
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