Trifluoruro de boro

Trifluoruro de boro es el compuesto inorgánico con la fórmula BF₃ . Este gas picante, incoloro y tóxico forma vapores blancos en el aire húmedo. Es un ácido de Lewis útil y un componente versátil para otros compuestos de boro.

Estructura y unión

La geometría de una molécula de BF₃ es plana trigonal. Su simetría D_3h se ajusta a la predicción de la teoría VSEPR. La molécula no tiene momento dipolar debido a su alta simetría. La molécula es isoelectrónica con el anión carbonato, CO2−3.

BF₃ se conoce comúnmente como "deficiente en electrones" una descripción que se ve reforzada por su reactividad exotérmica hacia las bases de Lewis.

En los trihaluros de boro, BX₃, la longitud de los enlaces B-X (1,30 Å) es más corto de lo que se esperaría para enlaces simples, y esta brevedad puede indicar un enlace B – X π más fuerte en el fluoruro. Una explicación sencilla invoca la superposición permitida por la simetría de un orbital p en el átomo de boro con la combinación en fase de los tres orbitales p orientados de manera similar en los átomos de flúor. Otros señalan la naturaleza iónica de los enlaces en BF₃.

Síntesis y manipulación

BF₃ se fabrica mediante la reacción de óxidos de boro con fluoruro de hidrógeno:

B₂O₃ + 6 HF → 2 BF₃ + 3 H₂O

Normalmente, el HF se produce in situ a partir de ácido sulfúrico y fluorita (CaF₂ ). Cada año se producen aproximadamente entre 2.300 y 4.500 toneladas de trifluoruro de boro.

Báscula de laboratorio

Para reacciones a escala de laboratorio, BF₃ generalmente se produce in situ usando eterato de trifluoruro de boro, que es un líquido disponible comercialmente.

Las rutas de laboratorio hacia los materiales libres de disolventes son numerosas. Una ruta bien documentada implica la descomposición térmica de las sales de diazonio de [BF₄]^-:

[PhN]₂]⁺[BF₄]⁻ → PhF + BF₃ + N2

Alternativamente surge de la reacción de tetrafluoroborate sodio, trióxido de hierro y ácido sulfúrico:

6 Na[BF₄+ B₂O₃ + 6 H₂Así que...₄ → 8 BF₃ + 6 NaHSO4 + 3 H₂O

Propiedades

El trifluoruro de boro anhidro tiene un punto de ebullición de -100,3 °C y una temperatura crítica de -12,3 °C, por lo que puede almacenarse como líquido refrigerado solo entre esas temperaturas. Los recipientes de almacenamiento o transporte deben diseñarse para resistir la presión interna, ya que una falla del sistema de refrigeración podría causar que la presión aumente hasta la presión crítica de 49,85 bar (4,985 MPa).

El trifluoruro de boro es corrosivo. Los metales adecuados para equipos que manipulan trifluoruro de boro incluyen acero inoxidable, monel y hastelloy. En presencia de humedad corroe el acero, incluido el acero inoxidable. Reacciona con poliamidas. El politetrafluoroetileno, el policlorotrifluoroetileno, el fluoruro de polivinilideno y el polipropileno muestran una resistencia satisfactoria. La grasa utilizada en el equipo debe ser a base de fluorocarbono, ya que el trifluoruro de boro reacciona con las que contienen hidrocarburos.

Reacciones

A diferencia de los trihaluros de aluminio y galio, los trihaluros de boro son todos monoméricos. Sufren reacciones rápidas de intercambio de haluros:

BF₃ + BCl3 → BF₂Cl + BCl₂F

Debido a la facilidad de este proceso de intercambio, los haluros mixtos no se pueden obtener en forma pura.

El trifluoruro de boro es un ácido de Lewis versátil que forma aductos con bases de Lewis como fluoruro y éteres:

CsF + BF₃ → Cs[BF₄]

O(CH2CH3)2 + BF₃ → BF₃·O(CH₂CH₃)₂

Las sales de tetrafluoroborato se emplean comúnmente como aniones no coordinantes. El aducto con éter dietílico, eterato dietílico de trifluoruro de boro o simplemente eterato de trifluoruro de boro, (BF₃·O(CH₂CH₃)₂) es un líquido que se manipula cómodamente y, en consecuencia, se utiliza ampliamente como fuente de laboratorio de BF₃. Otro aducto común es el aducto con sulfuro de dimetilo (BF₃·S(CH₃)₂), que puede manipularse como un líquido puro.

Acidez de Lewis comparativa

Los tres trihaluros de boro más ligeros, forma BX₃ (X = F, Cl, Br) aductos estables con bases de Lewis comunes. Sus acidez de Lewis relativa se pueden evaluar en términos de las exotérmicas relativas de la reacción de formación de aductos. Tales mediciones han revelado la siguiente secuencia para la acidez de Lewis:

BF₃ c) BCl₃ c) BBr₃ c) BI₃ (ácido Lewis más fuerte)

Esta tendencia se atribuye comúnmente al grado de enlace π en el trihaluro de boro plano que se perdería tras la piramidalización del BX ₃ molécula. que sigue esta tendencia:

BF₃ ■ BCl₃ ■ BBr₃ c) BI₃ (más fácilmente piramidalizada)

Sin embargo, los criterios para evaluar la fuerza relativa del enlace π no están claros. Una sugerencia es que el átomo de F es pequeño en comparación con los átomos más grandes de Cl y Br. Como consecuencia, la longitud del enlace entre el boro y el halógeno aumenta al pasar del flúor al yodo, por lo que la superposición espacial entre los orbitales se vuelve más difícil. El par de electrones solitario en p_z de F se dona fácil y fácilmente y se superpone al orbital p_z vacío del boro. Como resultado, la donación de pi de F es mayor que la de Cl o Br.

En una explicación alternativa, la baja acidez de Lewis de BF₃ se atribuye a la relativa debilidad del enlace en los aductos F₃B−L.

Otra explicación podría encontrarse en el hecho de que los orbitales p_z en cada período superior tienen un plano nodal extra y signos opuestos de la función de onda en cada lado de ese avión. Esto da como resultado regiones enlazantes y antienlazantes dentro del mismo enlace, lo que disminuye la superposición efectiva y, por lo tanto, reduce el bloqueo de la acidez donante de π.

Hidrólisis

El trifluoruro de boro reacciona con el agua para dar ácido bórico y ácido fluorobórico. La reacción comienza con la formación del aducto acuoso, H₂O−BF₃, que luego pierde HF que da ácido fluorobórico con trifluoruro de boro.

4 BF₃ + 3 H₂O → 3 H[BF₄] + B(OH)₃

Los trihaluros más pesados no sufren reacciones análogas, posiblemente debido a la menor estabilidad de los iones tetraédricos [BCl₄ ]⁻ y [BBr₄]⁻. Debido a la alta acidez del ácido fluorobórico, el ion fluoroborato se puede utilizar para aislar cationes particularmente electrófilos, como los iones diazonio, que de otro modo serían difíciles de aislar como sólidos.

Usos

Química orgánica

El trifluoruro de boro se utiliza principalmente como reactivo en la síntesis orgánica, normalmente como ácido de Lewis. Ejemplos incluyen:

• inicia reacciones de polimerización de compuestos insaturados, como poliésteres
• como catalizador en alguna isomerización, acitola, alquilatación, esterificación, deshidratación, condensación, adición de Mukaiyama aldol y otras reacciones

Usos especializados

Otros usos menos comunes del trifluoruro de boro incluyen:

• aplicado como dopant en implante de iones
• p-tipo dopant para el silicio epitaxial
• utilizado en detectores de neutrones sensibles en cámaras de ionización y dispositivos para monitorear los niveles de radiación en la atmósfera terrestre
• en fumigación
• como flujo para el magnesio de soldadura
• para preparar el diborano

Discovery

El trifluoruro de boro fue descubierto en 1808 por Joseph Louis Gay-Lussac y Louis Jacques Thénard, que intentaban aislar el "ácido fluórico" (es decir, ácido fluorhídrico) combinando fluoruro de calcio con ácido bórico vitrificado. Los vapores resultantes no lograron grabar el vidrio, por lo que lo llamaron gas fluobórico.