Trifluoruro di boro

Trifluoruro di boro
Nome IUPAC
trifluoruro di boro
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	BF3
Massa molecolare (u)	67,81
Aspetto	gas incolore
Numero CAS	7637-07-2
Numero EINECS	231-569-5
PubChem	6356
SMILES	B(F)(F)F
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/l, in c.s.)	2,178
Temperatura di fusione	−126 °C (147 K)
Temperatura di ebollizione	−100,3 °C (172,9 K)
Proprietà termochimiche
ΔfH0 (kJ·mol−1)	−1137
S0m(J·K−1mol−1)	254,12
C0p,m(J·K−1mol−1)	50,46
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
pericolo
Frasi H	280 - 314 - 330 - EUH014
Consigli P	260 - 280 - 284 - 305+351+338 - 310 - 410+403

Il trifluoruro di boro (noto come trifluoro-borano nella vecchia nomenclatura) è il composto chimico di formula ${\ce {BF3}}$. È un gas incolore e tossico, di odore pungente, che forma fumi bianchi in aria umida. È un acido di Lewis e un reagente versatile per la preparazione di altri composti di boro.

Struttura e legami

I trialogenuri di boro sono composti molecolari monomerici, a differenza dei trialogenuri di alluminio. Miscele di alogenuri diversi scambiano molto rapidamente gli alogeni:

${\ce {BF3 + BCl3 <=> BF2Cl + BCl2F}}$

La reazione procede presumibilmente attraverso la formazione di dimeri instabili. A causa di questa reazione, i composti con alogeni misti non si possono ottenere in forma pura.

La geometria della molecola ${\ce {BF_3}}$ è trigonale planare. La simmetria ${\ce {D_{3h}}}$ è in accordo con le previsioni della teoria VSEPR. Benché contenga tre legami covalenti polari, la molecola ha momento dipolare nullo in virtù dell'alta simmetria. ${\ce {BF3}}$ è una tipica molecola elettron-deficiente, come avvalorato dal fatto che reagisce facilmente con basi di Lewis.

Nei trialogeno composti ${\ce {BX3}}$ la distanza di legame tra boro e alogeno è più piccola di quella che ci si aspetterebbe per un legame singolo; questo è stato interpretato con la presenza di un apprezzabile contributo π al legame. Come mostrato nella figura, è facile invocare una sovrapposizione tra un orbitale $p$ dell'atomo di boro centrale con una combinazione dei tre orbitali $p$ con la stessa orientazione presenti sugli atomi di fluoro.

Sintesi

${\ce {BF3}}$ è preparato industrialmente trattando a caldo ossido di boro o borati con fluorite e con acido solforico concentrato:

${\ce {B2O3 + 3 CaF2 + 3 H2SO4 -> 2 BF3 + 3 CaSO4 + 3 H2O}}$

In laboratorio si può produrre ${\ce {BF3}}$ per decomposizione termica del tetrafluoroborato di diazonio (reazione di Schiemann):

${\ce {PhN2BF4 -> PhF + BF3 + N2}}$

Acidità di Lewis e reazioni collegate

Il trifluoruro di boro è un acido di Lewis molto versatile e forma addotti con basi di Lewis come fluoruri ed eteri:

${\ce {CsF + BF3 -> CsBF4}}$

${\ce {O(C2H5)2 + BF3 -> BF3O(C2H5)2}}$

L'anione tetrafluoroborato (${\ce {BF4^-}}$) è comunemente impiegato come anione non coordinante. L'addotto con l'etere etilico è un liquido comodo da maneggiare e di conseguenza è largamente utilizzato in laboratorio come fonte di ${\ce {BF3}}$.

Confronti di acidità di Lewis

Tutti e tre i trialogenuri di boro, ${\ce {BX_3}}$ (${\ce {X = F, Cl, Br}}$) formano addotti stabili con semplici basi di Lewis. La loro acidità relativa può essere stimata confrontando l'esotermicità delle reazioni di formazione degli addotti. Da queste misure si è ricavato il seguente ordine di acidità di Lewis:

${\ce {BF3 < BCl3 < BBr3}}$ (acido di Lewis più forte)

Questo andamento è comunemente attribuito alla quantità di contributo π al legame che va perso nel passare dalla forma planare della molecola ${\ce {BX3}}$ alla forma tetraedrica nell'addotto formato, quantità che varia nell'ordine:

${\ce {BF3 > BCl3 > BBr3}}$ (diventa più facilmente tetraedrico)

I criteri per valutare le forze relative del legame π non sono però del tutto chiari.
Una possibile interpretazione considera che, essendo l'atomo di fluoro più piccolo di quello di bromo, la coppia elettronica dell'orbitale $p_{z}$ del fluoro può dare maggiore sovrapposizione con l'orbitale $p_{z}$ vuoto del boro. Di conseguenza, in ${\ce {BF3}}$ il contributo $\pi$ al legame è maggiore rispetto a ${\ce {BBr3}}$.

In un'altra interpretazione, la minor acidità di Lewis di ${\ce {BF3}}$ è attribuita alla relativa debolezza del legame che si forma nell'addotto ${\ce {F3B-L}}$.

Idrolisi

Il trifluoruro di boro reagisce con l'acqua in modo incompleto, formando tetrafluoroborati e acido borico.

${\ce {4 BF3 + 3 H2O -> 3 H+ + 3 BF4- + B(OH)3}}$

Gli altri alogenuri sono invece completamente idrolizzati in acqua, senza formare lo ione tetraedrico ${\ce {BX4^-}}$. Ad esempio:

${\ce {BCl3 + 3 H2O -> 3 HCl + B(OH)3}}$

Precauzioni per l'impiego

Il trifluoruro di boro è corrosivo. I contenitori per il trifluoruro di boro devono essere fatti di metalli adatti come acciaio inossidabile, monel e hastelloy. In presenza di umidità corrode l'acciaio, anche inossidabile. Reagisce con le poliammidi, mentre politetrafluoroetilene, policlorotrifluoroetilene, polivinildenfluoruro e polipropilene resistono in modo soddisfacente. Il grasso usato per lubrificare le apparecchiature deve essere a base di fluorocarburi, dato che ${\ce {BF3}}$ reagisce con i grassi a base idrocarburica.

Usi

Nella maggior parte dei casi ${\ce {BF3}}$ è utilizzato come acido di Lewis. Gli usi principali sono:

• reazioni di acilazione e alchilazione di Friedel-Crafts. Queste reazioni non sono propriamente catalitiche, dato che ${\ce {BF3}}$ viene consumato. Ad esempio:

${\ce {PhH + RX + BF3 -> Ph-R + H+ + BF3X-}}$

• reazioni di polimerizzazione di composti insaturi come gli alcheni
• reazioni di isomerizzazione di idrocarburi saturi e insaturi
• cracking degli idrocarburi nell'industria petrolifera
• reazioni di esterificazione e condensazione
• sintesi di altri composti di boro come borani e borati
• sintesi di additivi per lubrificanti
• drogaggio di tipo P nella fabbricazione di semiconduttori
• rilevazione di neutroni termici usato come gas del contatore proporzionale sfruttando l'alta sezione d'urto di assorbimento del boro con i neutroni a bassa energia.

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Collegamenti esterni

• https://www.osha.gov/dts/chemicalsampling/data/CH_221700.html
• https://web.archive.org/web/20090310182250/http://www.cdc.gov/niosh/ipcsneng/neng0231.html
• National Pollutant Inventory - Boron and compounds fact sheet, su npi.gov.au. URL consultato il 4 marzo 2009 (archiviato dall'url originale il 9 febbraio 2006).
• National Pollutant Inventory - Fluoride and compounds fact sheet, su npi.gov.au. URL consultato il 4 marzo 2009 (archiviato dall'url originale il 16 gennaio 2006).
• WebBook page for BF3, su webbook.nist.gov. URL consultato il 4 marzo 2009 (archiviato dall'url originale il 13 dicembre 2020).