有機(jī)氟化合物特別是全氟化合物具有一些不一般甚至是非常特殊的物理化學(xué)性質(zhì),它們被用于從藥物化學(xué)到材料科學(xué)等多個科學(xué)領(lǐng)域中.物理性質(zhì)方面,有機(jī)氟化物的性質(zhì)主要是由兩個因素所控制的：一是氟的高電負(fù)性和較小的原子半徑,氟原子的2s和2p軌道與碳的相應(yīng)軌道尤其匹配；二是由此產(chǎn)生的氟原子的特別低的可極化性. 碳-氟鍵是有機(jī)化學(xué)中已知的最強(qiáng)的化學(xué)鍵,它不僅較短,而且是高度極化的,其偶極矩在1.4D左右.不過全氟碳烷分子中由于所有局部偶極矩相互抵消,卻是屬于十分非極性的溶劑,很多情況下比相應(yīng)的碳烷的介電常數(shù)還低；對比之下,部分氟化的碳烷分子的偶極矩則較高.
氟原子僅比氫原子稍大（范德華半徑比氫原子大23%）,而且具有很低的可極化性,因此全氟碳烷的分子結(jié)構(gòu)和分子動力學(xué)也受到影響.直鏈碳烷是線性鋸齒形構(gòu)型,全氟碳烷則為了避免1-和3-位上氟原子間的電子和立體排斥,而采取螺旋形結(jié)構(gòu). 全氟烷烴的沸點要比相同分子量的烷烴低很多,而且由于全氟烷烴的低可極化性,造成它與其他烴類溶劑的混溶性很差,從而產(chǎn)生所謂液相的第三相,即相對于水相和有機(jī)相的氟相.
應(yīng)用
有機(jī)氟化物在醫(yī)藥工業(yè)中有非常重要的應(yīng)用.目前上市的新藥中,每年大約有15-20%都是有機(jī)氟化合物.在含氟的藥物分子中,通常氟的含量都比較低,每個引入的氟原子或含氟基團(tuán)都有其特定的目的.
總體上看,氟原子對藥物分子的影響主要有：
1.氟的引入不使分子發(fā)生明顯的立體構(gòu)型變化,但使分子的電子性質(zhì)產(chǎn)生很大的改變.這是由于氟原子雖然與氫原子大小相似,但卻具有很大的電負(fù)性.
2.在芳環(huán)氟代、π體系的鄰位氟代和全氟烷基鏈等情況下,氟的引入對于分子的親脂性是有利的.
3.高電負(fù)性的氟原子可作為氫鍵受體或氫鍵供體的活化者,或者借由立體電子效應(yīng),穩(wěn)定分子的一些構(gòu)象.芳環(huán)上的氟代增強(qiáng)了芳環(huán)其他氫原子的酸性,使其更容易成為氫橋的供體；同時,富電子的芳環(huán)π體系也可以作為氫橋的受體.
4.通過向底物引入氟原子,可以選擇性地阻斷一些不希望發(fā)生的代謝途徑,讓藥物前體只轉(zhuǎn)化為希望的生物活性物質(zhì),增加藥物的生物利用度,穩(wěn)定代謝和調(diào)整反應(yīng)中心.
5.含氟基團(tuán)可用于生物等排體模擬一些不穩(wěn)定或代謝后會產(chǎn)生有毒產(chǎn)物的官能團(tuán).
6.含氟藥物可以是基于機(jī)理的自殺性抑制劑,基于氫原子與氟原子在體積上的相似性和在反應(yīng)性上的根本差別而發(fā)揮作用.5-氟尿嘧啶是此類抑制劑中最著名的一個例子.
用放射性氟原子進(jìn)行標(biāo)記的代謝物,如氟代脫氧葡萄糖,由于與它的同屬物有相同的轉(zhuǎn)化途徑,常在醫(yī)療成像中用于獲得代謝過程的具體信息.此外含氟化合物在醫(yī)藥化學(xué)中還有一類完全不同的應(yīng)用類型,這些應(yīng)用包括人造血、吸入式麻醉劑和呼吸液.在這些應(yīng)用中不希望化合物參與任何生物化學(xué)轉(zhuǎn)化,而有機(jī)氟化合物尤其是全氟化合物的高度惰性,正好滿足了這個需要.