هيكل رابع فلوريد الكبريت واستخداماته

في الكيمياء إن مركب رباعي فلوريد الكبريت هو غاز عديم اللون ذو رائحة كبريتية مميزة، وهو شديد السمية عن طريق الاستنشاق ومهيج قوي للجلد والعينين والأغشية المخاطية، يتم استخدامه كعامل مفلور وكطارد للزيوت.

هيكل جزيء رابع فلوريد الكبريت SF4

• إن عنصر الكبريت في جزيء رابع فلوريد الكبريت (SF4) في حالة الأكسدة الرسمية وتساوي 4+، حيث أنه من إجمالي ستة إلكترونات تكافؤ للكبريت يشكل اثنان “زوجًا وحيدًا”، لذلك فإنه من الممكن توقع بنية (SF4) باستخدام مبادئ نظرية (VSEPR):.

إذ إن رابع فلوريد الكبريت يمتلك هيكل ثلاثي الزوايا، مع وجود عنصر الكبريت(S) في المركز، يشغل زوج وحيد من الإلكترونات أحد المواضع الاستوائية الثلاثة، تجاهل هذا الزوج الوحيد، وبالتالي يشبه (SF4) “أرجوحة”، وبالتالي يحتوي الجزيء على نوعين متميزين من روابط (F)، نوعان محوريان واثنان استوائيان.

• ويستخدم عنصر الكبريت كمانح بالفلور في التفاعلات الكيميائية لإنتاج مواد مقاومة للماء ومبيدات الآفات وغيرها من المركبات العضوية وغير العضوية، ويمكن استخدامه للإدخال الخاضع للرقابة للفلور في المركبات العضوية، وهو عامل مفلور انتقائي، لتصنيع المواد الطاردة للماء والزيوت ومحسنات التزليق، وهو مفيد أيضًا في تحويل أكاسيد المعادن إلى فلوريد.

• من المتعارف عليه أن الروابط المحورية في الجزيئات الفائقة التكافؤ تكون مرتبطة بقوى أقل، وذلك على عكس رابع فلوريد الكبريت (SF4)، يحتوي الجزيء المرتبط (SF6) على كبريت في الحالة 6+، ولا تبقى إلكترونات التكافؤ غير مترابطة على الكبريت، ومن ثم يتبنى الجزيء بنية ثماني السطوح شديدة التناظر.

بالإضافة إلى التباين مع (SF4)، فإن (SF6) خامل كيميائيًا بشكل غير عادي، يكشف طيف (19F NMR) الخاص بـ (SF4) عن إشارة واحدة فقط، مما يشير إلى أن مواضع ذرة الفلور المحورية والاستوائية تتحول بسرعة عبر “الدوران الكاذب”.

• بالنسبة للتوليف والتصنيع لرابع فلوريد الكبريت فإنه ينتج عن طريق تفاعل (SCl2 و Cl2 و NaF)، تبعا للمعادلة الكيميائية التالية: (SCl2 + Cl2 + 4NaF → SF4 + 4NaCl)، ومن المثير للاهتمام أن علاج (SCl2 مع NaF) يوفر أيضًا (SF4)، وليس (SF2)، ومركب (SF2) غير مستقر ويتكثف مع نفسه ليشكل (SF4) و (SSF2).

استخدامات رابع فلوريد الكبريت

عامل مفلور عضوي انتقائي

• رابع فلوريد الكبريت هو عامل مفلور عضوي انتقائي، تتشكل ذرات (S) رابطة سيجما (σ) مع مدارات هجينة (sp3d) على هيكلها الجزيئي، الشكل الجزيئي مشوه رباعي السطوح، وفي درجة الحرارة والضغط العاديين هو غاز عديم اللون مع منبه قوي رائحة كريهة من الغاز تشبه ثاني أكسيد الكبريت، مادة سامة، لا تحترق وتنفجر في الهواء، عند 600 ℃ تبقى ثابتة، يتحلل مائيًا قويًا وينبعث منه دخان أبيض في الهواء، وعندما تواجه بيئة مائية فإنها سوف تسبب تآكلًا مشابهًا لحمض الهيدروفلوريك.

• يتحلل بالكامل إلى حمض الهيدروفلوريك وثاني أكسيد الكبريت، ومن الممكن أن ينتج عن عملية التحلل المائي الجزئي فلوريد الثيونيل السام، ومن الممكن أن يمتص المحلول القاعدي بالكامل ويحوله إلى أملاح غير سامة، علما أنه قابل للذوبان في البنزين.

• ويستخدم رابع فلوريد الكبريت على نطاق واسع حاليًا وهو أكثر عوامل الفلورة العضوية الانتقائية فعالية، ويمكنه بشكل انتقائي مفلور الكربونيل والهيدروكسيل (الأكسجين البديل لمركبات الكربونيل)، يستخدم على نطاق واسع في الأدوية الكيميائية السائلة عالية الجودة وفي صناعة إنتاج المبيدات الحشرية، لها موقع لا يمكن الاستغناء عنه.

• تشمل المركبات ذات الأهمية في هذه المجموعة سداسي فلوريد الكبريت (SF6) المستخدم كمواد عازلة للكهرباء في قواطع الدوائر والكابلات والمكثفات والمحولات ومنتجات التحلل التي تنتج عند حدوث الانحناء الكهربائي، المركبات المحددة التي تنتج تعتمد على ظروف الانحناء، في الظروف دون ماء أو هواء يتم تصنيع رابع فلوريد الكبريت، في حالة وجود رطوبة، فإنه قد يتحلل مركب رباعي فلوريد الماء من أجل تكوين فلوريد الثيونيل (SOF2) و (HF)، يتكون فلوريد الكبريت (SO2F2) وثنائي الكبريت (S2F10) وخماسي فلوريد الكبريت (SF5) وثاني أكسيد الكبريت من سادس فلوريد الكبريت.

استخدام رابع فلوريد الكبريت لتخليق مركبات الكربون الفلورية

• في التخليق العضوي يتم استخدام رابع فلوريد الكبريت من أجل عملية تحويل مجموعات الكحول (COH) والكيتونات والألديهايدات (C = O) إلى مجموعات (CF و CF2)، على التوالي، بعض الكحوليات تعطي بسهولة الفلوروكربون المقابل، تعطي الكيتونات والألدهيدات ديفلورايد جنيني، حيث يؤدي وجود بروتونات ألفا إلى الكربونيل إلى تفاعلات جانبية وتقلص الناتج (30-40٪)، كما يمكن أن تعطي الديول استرات كبريتيت دورية ((RO) 2SO)، تتحول الأحماض الكربوكسيلية إلى مشتقات ثلاثي فلورو ميثيل.

• على سبيل المثال فإنه ينتج عن معالجة حمض هيبتانويك باستخدام رابع فلوريد الكبريت عند درجة حرارة مقدارها يتراوح بين 100-130 درجة مئوية مركب (1،1،1-trifluoroheptane)، تعتبر المنتجات المشتركة من هذه الفلورات بما في ذلك رابع فلوريد الكبريت غير المتفاعل مع (SOF2 و SO2) سامة.

• ولكن يمكن تحييدها من خلال معالجتها باستخدام هيدروكسيد البوتاسيوم المائي (KOH)، وتم استبدال استخدام رابع فلوريد الكبريت في السنوات الأخيرة بواسطة ثلاثي فلوريد ثنائي إيثيل أمينوسولفور الذي تم التعامل معه بشكل أكثر ملاءمة (Et2NSF3).

• حيث أن (Et = CH3CH2)، يتم تحضير هذا الكاشف كما في المعادلة التالية:

SF4 + Me3SiNEt2 → Et2NSF3 + Me3SiF

استخدامات أخرى

• يستخدم رباعي فلوريد الكبريت كعامل مفلور في إنتاج المواد الطاردة للماء والزيوت ومحسنات التزليق، وجد كمنتج تحلل سداسي فلوريد الكبريت، ولتحويل مجموعة الكربوكسيل إلى مجموعة ثلاثي فلورو ميثيل، وعلى الرغم من أن تبادل الهالوجين من أجل تشكيل مجموعة ثلاثي فلورو ميثيل يسير بشكل جيد، فإن إجراءات تحويل مجموعة الميثيل إلى مجموعة ثلاثي فلورو ميثيل مباشرة محدودة.

• الفلورايد المعدني عالي التكافؤ على سبيل المثال الكوبالت ثلاثي فلوريد سوف يقوم بهذا التحويل في درجات حرارة عالية ولكن باقي الجزيء مفلور أيضًا في العملية مما يؤدي إلى سوائل خاملة مفيدة للغاية، يدخل رباعي فلوريد الكبريت في الفلورة الكهروكيميائية (ECF) وهي عبارة عن إجراء من أجل تحويل روابط الهيدروجين (H) للروابط الأحادية (C) إلى روابط (C – F) عند أنود خلية كهروكيميائية أثناء التحليل الكهربائي لفلوريد الهيدروجين في ظل ظروف لا تولد عنصر الفلور.

• يتم تشغيل العملية على نطاق صناعي وهي فعالة بشكل خاص للأنظمة القطبية على سبيل المثال: من أجل تخليق حمض ثلاثي فلورو الميثان سلفونيك، بالإضافة إلى وظائف أخرى، يتضمن التحويل المثير للاهتمام للمجموعة الأمينية إلى مجموعة ثلاثي فلورو ميثيل التحويل إلى مشتق (azo)، باستخدام (nitrosotrifluoromethane)، متبوعًا بالتخلص الضوئي من النيتروجين.