碳-氟鍵

碳－氟鍵是碳和氟間的極性共價單鍵，是所有有機氟化合物的組分。甚有離子鍵特徵而相對較短，是很強的化學單鍵，僅次於硼－氟、矽－氟和氫－氟鍵。往化合物同一碳原子添加更多氟原子時，鍵會增強並縮短，因此四氟甲烷（四氟化碳）等氟代烷是極不活潑的有機化合物。

電負性和鍵強

高電負的氟（氟：4.0，碳：2.5）賦予碳－氟鍵顯著的極性／電偶極矩。電子云集中在氟周圍，碳的電子云較稀疏。部分電荷（C^δ+—F^δ−）使碳－氟鍵頗像離子鍵。氟和碳的部分電荷有吸引力，碳－氟鍵強得別樹一格。氟與碳形成「有機化學最強」的單鍵。^[1]碳－氟鍵的鍵解離能（BDE；鍵強度）可高達每摩13萬卡，^[2]比其它碳－鹵素和碳－氫鍵的高。甲基－某的碳－某鍵離解能分別為每摩104.9、115、83.7、72.1和57.6 kcal（某為氫、氟、氯、溴和碘）。^[3]

鍵長

碳－氟鍵通常長約1.35埃（在氟甲烷為1.39埃），^[1]比其他碳－鹵鍵、碳－氮單鍵和碳－氧單鍵都短。如此長短可歸因於其離子特徵，碳和氟的部分電荷間有靜電引力。碳－氟鍵長取決於碳原子的混成及它或更遠原子的其它取代基，可有幾百分之一埃的變化。這些波動可作為微妙的混成變化和立體電子效應的跡象。下表顯示平均鍵長在不同鍵合環境如何變化（碳原子是sp³混成，除非另外說明是sp²或芳族碳）。

更多信息 鍵結, 平均鍵長（埃）[4] ...

鍵結	平均鍵長（埃）^[4]
CCH₂F、C₂CHF	1.399
C₃CF	1.428
C₂CF₂、H₂CF₂、CCHF₂	1.349
CCF₃	1.346
FCNO₂	1.320
FCCF	1.371
C_sp2F	1.340
C_arF	1.363
FC_arC_arF	1.340

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氟和其他元素間的鍵亦甚有離子特徵，鍵長稍短而多變，一直難以為氟選擇合適的共價半徑值。包令最初提出64pm，但該值最終以氟－氟鍵長一半的72pm取代，然而72pm過長，代表不到氟和其他元素間的鍵長，故此其他作者提議54至60pm。^[5]^[6]^[7]^[8]

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偕鍵的鍵強度效應

偕碳的氟原子增多，其他鍵變強變短，可由氟甲烷系列的鍵長和強度（BDE）變化看出，如下表所示；原子部分電荷（q_C和q_F）隨氟數而變^[2]，加入氟時，碳的部分電荷變得更陽，氟碳間靜電相互作用和離子度增強。

更多信息 化合物, 碳氟鍵長（埃） ...

化合物	碳氟鍵長（埃）	BDE（每摩幾千卡）	q_C	q_F
CH₃F	1.385	109.9±1	0.01	−0.23
CH₂F₂	1.357	119.5	0.40	−0.23
CHF₃	1.332	127.5	0.56	−0.21
CF₄	1.319	130.5±3	0.72	−0.18

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扭轉效應

當2粒氟原子是位在鄰位（即相鄰）的碳原子，如在1,2－二氟乙烷(H₂FCCFH₂)時，扭轉構象比反構象更穩定，這是相反於大部分的1,2－二取代乙烷類通常會被預期到和觀察到；此現象稱為扭轉效應(gauche effect) ^[9]。1,2－二氟乙烷，該扭轉構象比反構象更穩定，在氣相中，更穩定2.4至3.4千焦/摩。這種效果不是指會出現在氟鹵素，然而；扭轉效應也可以在1,2－二甲氧基乙烷觀察到。一個相關的效果是烯烴順式作用。例如，1,2－二氟乙烯的順式異構體比反式異構體穩定。^[10]

這裡有兩個主要影響扭轉效應的解釋：超共軛和彎曲的鍵結。在超共軛的模型，從碳－氫σ鍵軌道到碳－氟σ^*反鍵軌道的電子密度的捐贈被認為是穩定扭轉異構體的來源。由於氟更電負，碳－氫σ軌道比碳氟σ軌道是更好的電子供體，而碳－氟σ^*軌道比碳－氫σ^*軌道為一個更好的電子受體。只有扭轉構象允許在更好的供體和受體之間的良好重疊。

在二氟乙烷扭轉效應的彎曲鍵關鍵解釋是，在兩個碳－氟鍵增加p軌域，由於氟的電負性大。其結果是電子密度建立在中央碳－碳鍵的上方、下方、左側和右側。由此此結果可以減少軌道重疊，當一個扭轉效應被假設，形成一個彎曲的鍵。在這兩種模式，超共軛通常被認為是二氟乙烷的扭轉效應的主因。^[1]^[11]

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光譜分析

碳－氟鍵在紅外光譜的1000至1360cm⁻¹間伸縮。拉伸頻率對分子其他取代基敏感，出現範圍很闊。單氟化物在1000和1110cm⁻¹間有強頻帶；氟原子超過一粒，頻帶分成兩條，一條用於對稱模式，一條用於不對稱^[12]，碳－氟帶非常強，可掩蓋任何碳－氫帶^[13]。

有機氟化合物也可用碳13、氟19（氟的唯一天然同位素）或氫1（如有）NMR光譜表徵。取決於取代度和官能團，氟十九NMR中的化學位移有很闊的範圍。下表顯示一些主要類別的範圍。^[14]

更多信息 化合物類型, 化學位移範圍（ppm）（與CFCl3比較） ...

化合物類型	化學位移範圍（ppm）（與CFCl₃比較）
F–C=O	−70至−20
CF₃	+40至+80
CF₂	+80至+140
CF	+140至+250
ArF	+80至+170

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參見

參考文獻

[1]
O'Hagan D. Understanding organofluorine chemistry. An introduction to the C–F bond. Chem Soc Rev. February 2008, 37 (2): 308–19. PMID 18197347. doi:10.1039/b711844a.
[2]
Lemal DM. "Perspective on Fluorocarbon Chemistry" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） J Org Chem. 2004, volume 69, p 1–11. doi:10.1021/jo0302556
[3]
Blanksby SJ, Ellison GB. Bond dissociation energies of organic molecules. Acc. Chem. Res. April 2003, 36 (4): 255–63. PMID 12693923. doi:10.1021/ar020230d.
[4]
F. H. Allen, O. Kennard, D. G. Watson, L. Brammer, A. G. Orpen. Tables of bond Lengths determined by X-Ray and Neutron Diffraction. Part 1. Bond Lengths in Organic Compounds. J. Chem. Soc. Perkin Trans. II 1987, S1-S19.
[5]
Gillespie, Ronald, and Edward Robinson. 1992 Bond Lengths in Covalent Fluorides. A New Value for the Covalent Radius of Fluorine. Inorganic Chemistry, 31, 1960-1963.
[6]
Robinson, Edward, Samuel Johnson, Ting-Hua Tang, and Ronald Gillespie. 1997. Reinterpretation of the Lengths of Bonds to Fluorine in Terms of an Almost Ionic Model. Inorganic Chemistry, 36, 3022-3030.
[7]
Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán and Santiago Alvarez. Covalent radii revisited. Dalton Trans., 2008, 2832-2838, doi:10.1039/b801115j
[8]
P. Pyykkö, M. Atsumi, Chem. Eur. J., 15, 2009,186-197 doi:10.1002/chem.200800987.
[9]
Contribution to the Study of the Gauche Effect. The Complete Structure of the Anti Rotamer of 1,2-Difluoroethane Norman C. Craig, Anthony Chen, Ki Hwan Suh, Stefan Klee, Georg C. Mellau, Brenda P. Winnewisser, and Manfred Winnewisser J. Am. Chem. Soc.; 1997; 119(20) pp 4789 - 4790; (Communication) doi:10.1021/ja963819e
[10]
The stereochemical consequences of electron delocalization in extended .pi. systems. An interpretation of the cis effect exhibited by 1,2-disubstituted ethylenes and related phenomena Richard C. Bingham J. Am. Chem. Soc.; 1976; 98(2); 535-540 Abstract （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
[11]
Goodman, L.; Gu, H.; Pophristic, V.. Gauche Effect in 1,2-Difluoroethane. Hyperconjugation, Bent Bonds, Steric Repulsion. J. Phys. Chem. A. 2005, 109, 1223-1229. doi:10.1021/jp046290d
[12]
George Socrates, Socrates. Infrared and Raman characteristic group frequencies: tables and charts. John Wiley and Sons. 2001: 198. ISBN 0-470-09307-2.
[13]
Barbara H. Stuart. Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications. John Wiley and Sons. 2004: 82. ISBN 0-470-85428-6.
[14]
存档副本. [2008-11-09]. （原始內容存檔於2008-05-15）.

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[hagan-1] [1]
O'Hagan D. Understanding organofluorine chemistry. An introduction to the C–F bond. Chem Soc Rev. February 2008, 37 (2): 308–19. PMID 18197347. doi:10.1039/b711844a.

[Lemal2004-2] [2]
Lemal DM. "Perspective on Fluorocarbon Chemistry" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） J Org Chem. 2004, volume 69, p 1–11. doi:10.1021/jo0302556

[blanksby-3] [3]
Blanksby SJ, Ellison GB. Bond dissociation energies of organic molecules. Acc. Chem. Res. April 2003, 36 (4): 255–63. PMID 12693923. doi:10.1021/ar020230d.

[4] [4]
F. H. Allen, O. Kennard, D. G. Watson, L. Brammer, A. G. Orpen. Tables of bond Lengths determined by X-Ray and Neutron Diffraction. Part 1. Bond Lengths in Organic Compounds. J. Chem. Soc. Perkin Trans. II 1987, S1-S19.

[5] [5]
Gillespie, Ronald, and Edward Robinson. 1992 Bond Lengths in Covalent Fluorides. A New Value for the Covalent Radius of Fluorine. Inorganic Chemistry, 31, 1960-1963.

[6] [6]
Robinson, Edward, Samuel Johnson, Ting-Hua Tang, and Ronald Gillespie. 1997. Reinterpretation of the Lengths of Bonds to Fluorine in Terms of an Almost Ionic Model. Inorganic Chemistry, 36, 3022-3030.

[7] [7]
Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán and Santiago Alvarez. Covalent radii revisited. Dalton Trans., 2008, 2832-2838, doi:10.1039/b801115j

[8] [8]
P. Pyykkö, M. Atsumi, Chem. Eur. J., 15, 2009,186-197 doi:10.1002/chem.200800987.

[Craig-9] [9]
Contribution to the Study of the Gauche Effect. The Complete Structure of the Anti Rotamer of 1,2-Difluoroethane Norman C. Craig, Anthony Chen, Ki Hwan Suh, Stefan Klee, Georg C. Mellau, Brenda P. Winnewisser, and Manfred Winnewisser J. Am. Chem. Soc.; 1997; 119(20) pp 4789 - 4790; (Communication) doi:10.1021/ja963819e

[10] [10]
The stereochemical consequences of electron delocalization in extended .pi. systems. An interpretation of the cis effect exhibited by 1,2-disubstituted ethylenes and related phenomena Richard C. Bingham J. Am. Chem. Soc.; 1976; 98(2); 535-540 Abstract （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

[11] [11]
Goodman, L.; Gu, H.; Pophristic, V.. Gauche Effect in 1,2-Difluoroethane. Hyperconjugation, Bent Bonds, Steric Repulsion. J. Phys. Chem. A. 2005, 109, 1223-1229. doi:10.1021/jp046290d

[12] [12]
George Socrates, Socrates. Infrared and Raman characteristic group frequencies: tables and charts. John Wiley and Sons. 2001: 198. ISBN 0-470-09307-2.

[13] [13]
Barbara H. Stuart. Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications. John Wiley and Sons. 2004: 82. ISBN 0-470-85428-6.

[14] [14]
存档副本. [2008-11-09]. （原始內容存檔於2008-05-15）.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]