三氟化硼

三氟化硼
Boron trifluoride in 2D	Boron trifluoride in 3D
識別
CAS號	7637-07-2 ; 13319-75-0（二水）
PubChem	6356
ChemSpider	6116
SMILES	FB(F)F;
UN編號	Compressed: 1008.; Boron trifluoride dihydrate: 2851.
EINECS	231-569-5
ChEBI	33093
RTECS	ED2275000
性質
化學式	BF3
摩爾質量	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; 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 W
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

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，D_3h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

BF₃可以由三氧化二硼或硼酸鹽與氟化氫反應製備：

B₂O₃ + 6 HF → 2 BF₃ + 3 H₂O

BO₃^3- + 3 HF → BF₃ + 3 OH^-

反應物氟化氫可直接由硫酸和螢石（CaF₂）反應獲得。^[3]

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

實驗室中，BF₃可由氟硼酸重氮鹽分解製得：^[4]

C₆H₅N₂BF₄ → C₆H₅F + BF₃ + N₂

路易斯酸性

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：

CsF + BF₃ → CsBF₄

O(C₂H₅)₂ + BF₃ → BF₃O(C₂H₅)₂

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

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P_z軌道中的孤對電子很容易與硼的空P_z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

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

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-克酰基化反應中：

RCOOCH₃ + BF₃ → RCOOCH₃·BF₃

RCOOCH₃·BF₃ ⇌ RCO⁺ + CH₃OBF₃⁻

RCO⁺ + C₆H₆ → C₆H₅COR + H⁺

H⁺ + CH₃OBF₃⁻ ⇌ CH₃OH·BF₃

醇失水成醚時：

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⁺

在芳烴硝化和磺化反應中：

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

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。

聚酰胺、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯材料對BF₃呈相對化學惰性。
儀器中的油脂應當是以氟代烴作為材料的，因為三氟化硼會與烴類反應。^[9]

用途

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

三氟化硼-乙醚絡合物

參考資料

^ 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，存於互聯網檔案館）". 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

[1] 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）.

[greenwood-2] 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.

[3] Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.

[4] Flood, D. T.. "Fluorobenzene （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）". Org. Synth.; Coll. Vol. 2: 295.

[5] 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.

[6] 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

[7] 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.

[8] 張青蓮等。《無機化學叢書》第二卷。北京：科學出版社。

[9] Boron trifluoride. Gas Encyclopedia. Air Liquide. [2008-04-23]. （原始內容存檔於2006-12-06）.

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