Angewandte Fluororganische Chemie: Synthese ... - Fluorine

Angewandte Fluororganische Chemie: 

Synthese, Pharmazeutika, Flüssigkristalle 

A: Synthese 

1. Einleitung 

1.1. Historische Entwicklung 

1.2. Eigenschaften von Organofluorverbindungen 

1.3. Verwendung von Organofluorverbindungen 

1.3.1. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) 

1.3.2. Polymere, Lösungsmittel und Schmierstoffe 

1.3.3. Plasma-Ätzgase 

1.3.4. Pharmazeutika und Diagnostika 

1.3.5. Flüssigkristalle 

2. Methoden zur Synthese komplexer fluororganischer Verbindungen 

2.1. Einführung von Fluor 

2.2. Perfluoralkylierung 

2.3. Besondere fluorhaltige Gruppen 

2.4. Spezielle Synthesen mit fluorierten Synthesebausteinen 

B: Pharmazeutika 

C: Design und Synthese von Flüssigkristallen 

D: Literatur 

P. KIRSCH: Angewandte fluororganische Chemie: Synthese, Pharmazeutika, Flüssigkristalle 1

A: Synthese 

1. Einleitung 

1.1. Historische Entwicklung 

Rohstoffbasis 

• Flußspat CaF2 (z. B. Oberpfalz): früher “Flußmittel” zur Senkung des 

Schmelzpunktes bei der Erzaufbereitung 

• Kryolith Na3AlF6 (z. B. Grönland): auch Rohstoff für Aluminiumherstellung 

• Apatit Ca5(PO4)3F (neben Hydroxylapatit auch im Zahnschmelz enthalten) 

• Natur: 100% Reinisotop 19 9F; 0.27 Gew.% der Erdkruste (Platz 13) 

• Biosphäre: Nur CH2FCOOH als Verteidigungsgift von Arthropoden 

• Künstlich hergestelltes 18 9F als Marker für medizinische Diagnostik 

Geschichte 

seit 19. Jhd. Verwendung von HF (“Flußsäure”) aus Flußspat zum Glasätzen 

1886 Erstmalige Herstellung von elementarem Fluor durch HENRI MOISSAN 

1890er “FCKW”-Chemie durch Direktfluorierung (H. MOISSAN) und elektrophil 

katalysierten Halogenaustausch (F. SWARTS) 

20er Jahre Fluoraromaten durch BALZ-SCHIEMANN-Reaktion 

30er Jahre Kühlmittel (“Freon”, “Frigen”), Feuerlöschmittel (“Halon“) 

40er Jahre Polymere (“Teflon”), Elektrofluorierung (H. SIMONS) 

1941-1954 Manhattan-Projekt (Werkstoffe für Anlagen zur Isotopentrennung) 

50er Jahre Pharmazeutika, Blutersatz, Beatmungsfluide, chemische Kampfstoffe 

80er Jahre SDI-Projekt (DF-, Kr-F-Laser), Plasmaätzgase für Elektronikindustrie 

seit ca. 1985 Flüssigkristalle für Aktiv-Matrix-Displays 

Technische Herstellung und Eigenschaften der Basissubstanzen 

Fluorwasserstoffsäure 

a) Herstellung 

• CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HF (in Pt-, Pb-, Cu-, Monel- oder Teflonapparatur) 

• Azeotrop: 38% w/w HF, Kp. 112ºC 

• Wasserfreie HF (anhydrous HF, “aHF”): Erhitzen von KF·HF (“FREMI’s Salz) 

• Aufbewarung in Edelstahlflaschen 

b) Eigenschaften 

• Kp. 19.51ºC, Fp. –83.36ºC 

• Stechender Geruch, toxisch, lokal anästhetisierend, verursacht schwere 

Verätzungen 

• Reaktion mit Glas: SiO2 + 4HF → SiF4↑ + 2H2O 


• Wäßrige HF: schwache Säure 

HF + H2O H3O + + F - ; pKa = 3.19 (ca. 8% Dissoziation) 

• Wasserfreie HF (“aHF”): hoch assoziiert, ähnliche Eigenschaften wie Wasser 

• Dielektrizitätskonstante HF: ε = 83.5 (0ºC); H2O: ε = 78.3 (25ºC) 

• Sehr starke Säure, etwas schwächer als reine H2SO4 

• Solvolysesysteme: 

3HF H2F + + HF2 - : Ionenprodukt 10 -10.7 (0ºC); 

2H2O H3O + + OH - : Ionenprodukt 10 -14 

• Lewis-Säure-Base-Systeme: 

Elementares Fluor 

a) Herstellung 

BF3 + HF BF4 - + H + 

SbF5 + HF SbF6 - + H + 

SbF5 + HSO3F SbF6 - + SO3 + H + (“magic acid” protoniert gesättigte 

Kohlenwasserstoffe!) 

• Schmelzelektrolyse von KF·nHF-Systemen: 

542.6 kJ + 2HF → H2 + F2 

2HFaq F2 + 2H + + 2e - ; E0 = 3.06 V 

2H2O O2 + 4H + + 4e - ; E0 = 1.23 V 

aHF kaum dissoziiert, daher schlechte Leifähigkeit: Zusatz von KF 

KF·HF Fp. 217ºC 

KF·2HF Fp. 72ºC 

KF·3HF Fp. 66ºC 

• Großtechnisch angewendetetes “Mitteltemperaturverfahren” 

• 1 mol KF auf 1.8-2.5 mol HF (ca. KF·2HF) bei 70-130ºC, HF wird bei 

laufendem Betrieb nachgefüllt 

• Stahlzelle, dient auch als Kathode 

• Anoden: hintereinandergeschaltete kupferimprägnierte Petrolkoksblöcke 

(“SÖDERBERG-Elektroden”) 

• Trennung von Anoden- und Kathodenraum durch eingetauchte Stahlbleche 

• 8-12 V Spannungsabfall pro Zelle, 6000 A, 10-15 A/dm 2 

• Stromausbeute 95% 

• Neues Alternativverfahren aus abgereichertem UF6 (BNFL): 

• Natururan enthält nur 0.7% 235 U 

• Nach dem Ende des kalten Krieges große Vorräte an abgereichertem UF6 

als Entsorgungsproblem (UK: 100000 to; USA: 1 Mio to; in der GUS, China 

usw. werden vergleichbare Mengen gelagert) 

• Methode: Atomisierung durch Plasmaentladung, man erhält F2 und 


) Eigenschaften 

geschmolzenes Uran: UF6 → U + 6F• 

• Billiger als Elektrolyseverfahren 

• Grünlich-gelbes Gas, Kp. –188.13ºC, Fp. –219.61ºC, ρ = 1.5127 g·cm -3 

• Stechender Geruch (wahrscheinlich durch F2O), toxisch, extrem korrosiv 

• Stärkstes bekanntes Oxidationsmittel: 

Redoxpotentiale: sauer: E0 = 3.06 V; alkalisch: E0 = 2.87 V 

Homolytische Spaltung: 158 kJ·mol -1 + F2 → 2F· (sehr reaktiv) 

Reagiert häufig explosionsartig mit organischen Substanzen 

H2O + F2 → 0.5O2 + 2HF 

O2 + 2F2 → 2F2O 

• Tritt in seinen Verbindungen ausschließlich als anionisches Fluor auf 

• Höchste Elektronegativität: 4 

• Stabilisiert Elemente in den höchsten Oxidationsstufen: PF5, SF6, IF7, 

Edelgasfluoride (XeF6, KrF2), O2 + PtF6 - , N5 + AsF6 - 

• Lagerung und Handling: Edelstahl (passiviert), Monel (Cu/Ni-Legierung), Glas, 

Fluoropolymere (Teflon, PFA) 

1.2. Eigenschaften von Organofluorverbindungen 

Chemische Eigenschaften 

• Sehr hohe C-F-Bindungsenthalpie (C-F: 116; C-H: 104 ; C-C: 83 kcal·mol -1 ) 

• Kleiner VAN DER WAALS-Radius (→ Wassertoff-“Mimick” für Pharmazeutika) 

• Höchste Elektronegativität (EN nach Pauling 4) in kovalenter Bindung 

• Abschirmung des Kohlenstoffatoms gegenüber Nucleophilen 

• Inert gegen Hydrolyse und oxidativen Abbau (→ extrem beständige Materialien: 

Manhattan-Projekt) 

• Reaktiv gegenüber sehr starken Reduktionsmitteln und sehr starken LEWIS-Säuren 

Physikalische Eigenschaften 

• Starkes Dipolmoment der C-F-Bindung (→ Flüssigkristalle) 

• Sehr schwache Van der Waals-Wechselwirkungen (z.B. von n-Perfluoralkanen): 

Niedrige Oberflächenenergie (→ Teflonbratpfanne) 

Hohe Flüchtigkeit (→ Kühlmittel) 

Hohe Lipophilie von perfluorierten Gruppen (→ Pharmazeutika) 

Niedrige Viskosität (→ hochresistente Schmierstoffe) 


• Konformative Steifheit von Perfluoralkanen durch repulsive 1,3-CF-Wechselwirkung 

(→ Flüssigkristalle, Polymere), im Gegensatz zu n-Alkanen nicht reine 

anti-Konformation sondern Helix mit Periode von 26 CF2-Einheiten 

• Perfluoralkane nicht mischbar mit analogen Alkanen (→ Katalysesysteme, „fluorous 

biphase catalysis“) 

• Gutes Lösungsvermögen für Sauerstoff (→ Beatmung) 

• Aciditätsverstärkung bei organischen Säuren durch induktiven Effekt 

Eigenschaften: Übersicht 

X H F Cl Br I C sonstige 

Länge C-X [pm] 109 138 177 194 213 - 

Energie C-X [kcal·mol -1 ] 98.0 115.7 77.2 64.3 50.7 ~83 

Elektronegativität 2.1 4.0 3.0 2.8 2.5 2.5 

Dipol μ C-X [D] (0.4) 1.41 1.46 1.38 1.19 - 

VdW-Radius [pm] 120 135 180 - - - OH: ~140 

0.67 0.68 2.59 3.72 5.77 - 

Polarisierbarkeit α 

[10 -24 cm -3 ] 

Analytik von Organofluorverbindungen 

• 19 F NMR-Spekroskopie 

• Massenspektrometrie 

• Infrarotspektroskopie 

Physiologische Eigenschaften 

• Die meisten Fluor(halogen)kohlenwasserstoffe sind physiologisch inert, daher 

Verwendung als Kühlmittel (FCKW), Inhalationsanästhetika, Röntgenkontrastmittel, 

Blutersatzstoffe 

• Wichtige Ausnahmen: 

• Perfluorisobuten: toxisches Addukt mit Thiolen (wahrscheinlich Glutathion) 

F 

F 

F 3 C CF 3 

Glutathion-SH 

Glutathion 

F 

S F 

F C CF 3 3 H 

• Fluoressigsäure: Fluorisocitrat blockiert Citratcyclus (Aconitase-Inhibitor); 

alternierende Toxizität von endständig fluorierten Fettsäuren unterschiedlicher 

Kettenlänge 


• Viele Organofluorverbindungen mit terminaler –CH2F-Funktion werden im 

Körper oxidativ oder reduktiv zu CH2FCOOH metabolisiert und sind daher 

toxisch 

Ökologische Probleme 

• Extreme Langlebigkeit unter atmosphärischen Bedingungen: 

• Alle Perfluorkohlenwasserstoffe sowie SF6: Treibhauseffekt durch 

IR-Absorption; SF6 23000 mal so aktiv wie CO2 

• Nur Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW): Schädigung der Ozonschicht 

durch Chlorradikale (s.u.) 

1.3. Verwendung von Organofluorverbindungen 

1.3.1. Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) 

• Nicht toxisch, nicht brennbar, chemisch inert, Kp. –40 → +40ºC 

• Kühlmittel: 1930er Jahre: T. MIDGLEY, Frigidaire Corp. (GM) + DuPont → Kinetic 

Chemicals 

USA: “Freon”; Deutschland: ”Frigen” 

Freon 11 (CFCl3) 

Freon 12 (CF2Cl2) 

Freon 113 (CF2ClCFCl2) 

Freon 114 (CF2ClCF2Cl) 

Freon 22 (CHF2Cl) 

• Feuerlöschmittel (”Halon”): Niedrige C-Br-Bindunggsenthalpie: CF2Br2 → CF2Br· + 

Br· 

• Ozon-Problematik: Extreme Stabilität im unteren Atmosphärenbereich, 

photochemische Spaltung erst durch kurzwellige UV-Bestrahlung in der 

Stratosphäre: katalytischer Ozonabbau durch Chlorradikale 

• Ozon-Aufbau: O2 + hν → ·O· + ·O· 

·O· + O2 + M → O3 + M* 

• Ozon-Abbau: F3CCl + hν → F3C· + Cl· 

·Cl + O3 → ClO· + O2 

ClO· + ·O· → Cl· + O2 


HCl 

•OH 

CH 4 

F 3 CCl 

HOCl 

O3 Cl• ClO• 

O, NO 

ClONO 2 

1.3.2. Polymere, Lösungsmittel und Schmierstoffe 

Manhattan-Projekt 

hν 

• Isotopentrennung über UF6 (Subl. 65ºC) mit Hilfe von Gaszentrifugen oder 

Diffusionsmethoden: 

• Herstellung: 

H 2 

P. KIRSCH: Angewandte fluororganische Chemie: Synthese, Pharmazeutika, Flüssigkristalle 7 

hν 

•OOH 

hν 

F 2 

•OH 

NO 2 

HF 

U3O8 UO2 UF4 UF6 550oC 250oC • Reaktivität ähnlich F2: Bedarf für resistente Schmiermittel, Lösungsmittel, Kühlmittel 

und Werkstoffe 

Lösungsmittel und dielektrische Isolatoren 

• Perfluor(cyclo)alkane (z. B. “Flutec”) 

• Nicht brennbar, unreaktiv, nicht toxisch 

• Hohe Durchschlagfestigkeit wegen hohen Elektroneneinfangquerschnitts 

• Gute Wärmeleitfähigkeit (→ Kühlmittel) 

• Niedrige Viskosität 

• Instabil erst ab ca. 500ºC in Gegenwart von Fe, Ni, Glas oder geschmolzenen 

Alkalimetallen 

• Neuerdings interessant als Reaktionsmedium in Flüssig/Flüssig-Mehr- 

phasenreaktionen („fluorous biphase catalysis“) 

Schmierstoffe 

• 1941: BIGELOW & FUKUHARA: Direktfluorierung von Kohlenwasserstoffen an 

Ag-dotiertem Kupferdraht führt zu Perfluorkohlenwasserstoffen 

• Längerkettige Perfluorkohlenwasserstoffe geeignet als Schmierstoff für 

Gaszentrifugen 

• Perfluorpolyether (z. B. ”Fomblin®“) als Hochvakuumpumpenöl 

• Neuerer Ansatz: Graphitfluoride und C60Fx als potentielle Schmierstoffe

Polymere 

a) Polytetrafluorethylen, PTFE, “Teflon”: 1938, R. J. PLUNKETT, DuPont 

• Vorteile: 

ClCF 2 CF 2 Cl 

Zn F 

F F 

F spontan 

CF 2 CF 2 n 

• Extrem weiter Verwendungstemperaturbereich: -273ºC → 260ºC 

• Extrem beständig gegen H2SO4, F2, HF, UF6, geschmolzene KOH 

• Extrem niedriger Reibungskoeffizient (Anti-Haft-Beschichtung) 

• Nachteile: 

• Tetrafluorethylen neigt zu explosiver Polymerisation; Stabilisierung mit Limonen 

• Fließt unter mechanischer Belastung 

• Extreme Schmelzviskosität: nicht extrudierbar 

• Modernes technisches Verfahren 

CHCl 3 

HF 

kat. SbCl 5 

S 2 O 8 2- 

CHF 2 Cl 700 o C 

CF 2 CF 2 n 


F 

F 

F F 

• Polymerisation in wäßriger Suspension bei 10-70 bar, mit Peroxodisulfat als 

Initiator 

• Hoch kristalline weiße Körnchen, Zersetzung beim Schmelzen 

• Verarbeitung: Pulver bei 100-400 bar in Form pressen, dann bei 365-385ºC 

sintern, anschließend mechanische Nachbearbeitung 

b) Polychlortrifluorethylen: 1941, W. T. MILLER, Cornell Univ. 

CF2ClCFCl2 "Freon 113" 

Zn 

F 

F 

F Cl 

(Cl 3 CCOO) 2 

CF 2 CFCl 

• Polymerisation in Lösung (CFCl3), Trichloracetylperoxid als Initiator 

• Verarbeitung bei 250-300ºC 

• Thermoplaste, Öle, Schmierstoffe (MFP = “mighty fine Product”) 

c) “PFA”: Perfluorierte Polyether 

• Transparent und extrudierbar 

• Verwendung als Gefäße für Spurenanalytik 

n

1.3.3. Plasma-Ätzgase 

• CF4, C2F6, SF6, NF3 als Plasmaätzgase für die Elektronikindustrie: Erzeugung von 

Fluorradikalen durch Mikrowellenbestrahlung; Abtragung von Silizium als SF4 

1.3.4. Pharmazeutika und Diagnostika 

Warum sind fluorhaltige Verbindungen interessant als Pharmazeutika? 

• Wasserstoff-Mimick: VAN DER WAALS-Radius F: 1.35 Å, H: 1.2 Å, Cl: 1.8 Å 

• Induktiver Effekt → Modulation der Reaktivität von Reaktionszentren 

• C-H → C-F: Inhibition durch hohe C-F-Bindungsenergie (z. B. Fluoracetat); 

metabolische Stabilisierung durch verlangsamten Abbau führt zu verbesserter 

Bioverfügbarkeit 

• H → F, CH3 → CF3: Erhöhung der Lipophilie 

• Völlig veränderte Reaktivität (z.B. Fluoruracil): ”Orthogonale Reaktivität” von Fluor 

und Wasserstoff 

• Fluor kann bioisoster zu OH-Gruppen sein (rOH = 1.4 Å; Virostatika: 

Fluornucleoside), hat aber auch Einfluß auf Konformerengleichgewichte z.B. bei 

Furanosen 

Pharmazeutika 

HN 

O N 

H 

5-Fluoruracil 

(Cytostaticum) 

HO 

CF 3 

O 

N 

F 

N 

H 

CF 3 

O 

F 

Mefloquin 

(Anti-Malaria) 

HO 

C 

H 3 

F 3 C 

F 

O 

H 3 

O 

C 

HO 

OH 

N 


CH 3 

Paramethason 

(Entzündungshemmer) 

OH 

Haloperidol 

(Antipsychoticum) 

O 

NHCH 3 

F 

Cl 

CF 3 

Fluoxetin, Prozac TM 

(Antidepressivum) 

CHMeCOOH 

Froben 

(Entzündungshemmer) 

CH 3 

NHEt 

Fenfluoramin 

(Appetitzügler)

Inhalationsanästhetika 

CHF 2 OCF 2 CHFCl 

Enfluran 

CF3CHClBr Halothan 

CHF 2 OCHFCF 2 CHF 2 

Synthan 

CF 3 CH 2 OCH=CH 2 

Fluoroxen 

CHF 2 OCHClCF 3 

Isofluran 

F 3 CO 

F 

F Cl 

Alifluran 

CHF 2 OCH(CF 3 ) 2 

Sevofluran 

Blutersatzstoffe und Beatmungsmittel: Ausscheidung über Lunge, keine 

Metabolisierung; Verabreichung als Emulsion mit Phospholipiden; Ausnutzung des 

hohen Lösevermögens für Sauerstoff 

F F 

F 13 C 6 OC 6 F 13 

F 7 C 3 

Röntgenkontrastmittel: z. B. n-C8F17Br 

C 3 F 7 

N C3 F 7 


F 

F 

F F 

N 

i-F 7 C 3 CH=CHC 6 F 13 

Ultraschall-Kontrastmittel: C5F12, Phasengrenze zwischen Blut und kleinen Bläschen 

reflektiert Ultraschall 

18 F als Tracer für Positronenemissionstomographie (PET): exakte Lokalisierung 

bestimmter Stoffwechselprozesse (Tumorentdeckung) 

AcO 

AcO 

OAc 

O 

p, n -e 

H 18 

2 O H18F H2 

18O + 

CFCl 3 

O 

O 18 F 

-H + 

AcO 

AcO 

+H + 

OAc 

MeOH 

O 

NaOMe 

18F OAc 

CF 3 

2 γ 

HO HO 

OH 

O 

18 F 

OH

1.3.5. Flüssigkristalle 

• Erste technisch verwertbare Flüssigkristalle zu Beginn der 70er Jahre: Dipolmoment 

durch Nitrilgruppe 

• Nachteil der Nirile: zu niedriger spezifischer Widerstand, zu niedrige „voltage 

holding ratio“ 

• Für Aktiv-Matrix-Displays (= thin film transistor, TFT-Displays): Ausnutzung des 

hohen Dipolmoments der C-F-Bindung; breitere nematische Phase; verbesserte 

„reliability“ → SFM („super fluorinated materials“) 

Active Matrix Display (AMD) 

commercial production: 1989 

concept: B. J. Lechner, 1971 

Super Twisted Nematic (STN) 

T. J. Scheffer et al., 1984 

Twisted Nematic Mode (TN) 

M. Schadt, W. Helfrich, 1971 

Dynamic Scattering (DSM) 

R. Williams, 1962 

R CN 

R CN 


R 

R OCF 3 

PhCOO 

R OEt 

F F 

R F 

“Super Fluorinated Materials” (SFM), 1985 

O 

RO N 

N 

R. Eidenschink et al., 1976 

O CN 

D. Demus et al., 1975 

O 

RO 

G. W. Gray et al., 1972 

R 

N 

F. Reinitzer, 1888 

2. Methoden zur Synthese komplexer fluororganischer Verbindungen 

2.1. Einführung von Fluor 

2.1.1. Umsetzung mit elementarem Fluor: Technische Verfahren 

• Erste Versuche zur Umsetzung organischer Verbindungen mit reinem F2 durch H. 

MOISSANT in den 1890ern: Keine einheitlichen Produkte 

• 1930er Jahre (W. BOCKEMÜLLER, Univ. Würzburg): 

• Direktfluorierung in der Gasphase 

• Verwendung von Lösungsmitteln zur Abführung der Wärmetönung: CCl4, CF2Cl2 

• Verdünnung des Fluors mit CO2 oder N2 

• SIMONS & BLACK (ca. 1940): Fluorierung von Graphit in Gegenwart katalytischer 

Mengen an Quecksilber führt (ohne Explosion) zu n-Perfluoralkanen 

F 

R

• Systematische Betrachtung durch L. A. BIGELOW: Zusammenfassung der 

Ergebnisse vor 1945 in L. A. BIGELOW, Chem. Rev. 1947, 40, 51 

• C-H + F2 → C-F + H-F: ΔH = -102 kcal·mol -1 (Cl: -22.9 kcal·mol -1 ; 

Br: -6.2 kcal·mol -1 ; I: +13.0 kcal·mol -1 ) 

• C=C + F2 → CF-CF: ΔH = -107 kcal·mol -1 

• Bindungsenthalpien: C-C 82.6 kcal·mol -1 

C-F 116 kcal·mol -1 

C-H 99 kcal·mol -1 

F-F 37 kcal·mol -1 

• Konsequenz: Die bei der Fluorierung freigesetzte Energie ist größer als die C-C- 

oder C-H-Bindungsenthalpie und kann somit leicht zur Zersetzung des 

Substratmoleküls führen 

• Mögliche Lösungen des Problems: 

1. „Zweiteilung“ der Wärmetönung (z. B. CoF3-Prozeß) 

2. „Verdünnung“ des Fluors mit inerten Gasen (z. B. 10% F2 in N2 oder He) 

• Kobaltfluorid-katalysierter Prozeß (Johns Hopkins/DuPont) 

• RUFF (1920er): AgF2, CoF3, MnF3 sind extrem starke Oxidantien 

• Technischer Zwei-Stufen-Prozeß zur Aufteilung der Exothermie 

1. 2CoF2 + F2 → 2CoF3 (ΔH = -220 kJ·mol -1 ) 

2. C-H + 2CoF3 → C-F + HF + 2CoF2 (ΔH = -220 kJ·mol -1 ) 

• Durchführung im Rohrreaktor mit CoF3-Bett: 

1. Z. B. Durchleiten von n-Heptan mit einem Temperaturgradienten 200→300ºC, 

Produkt basisch waschen; Ausbeute an n-C7F15: 69% 

2. Regeneration des CoF3 mit F2 bei 250ºC 

• LaMar-Fluorierung (LAGOW/MARGRAVE, ca. 1979): Direktfluorierung über 

Silber-dotiertem Kupferkontakt 

F 3 C F 3 C 

n-C 7 H 15 

CF 3 

"Light Pennsylvania 

Parrafine Lubrication Oil" 

58% 

62% 

87% 

12% 

300 o C 


F 

F 

n-C 7 F 15 

CF 3 

• Inertisierung von Automobil-Treibstofftanks mit 10% F2/N2 

Perfluoriertes Schmieröl

Umsetzung mit elementarem Fluor: Feinchemie und Laborverfahren 

• Geeignete Lösungsmittel für 10% F2/N2 je nach Art der Reaktion: CH3CN, 

CFCl3/CHCl3 (1:1), HCOOH, 50% H2SO4 

• Direktfluorierung von Kohlenwasserstoffen (S. ROZEN) 

• Fluorierung tertiärer Positionen an Cyclohexanen und Steroiden 

H 

δ + 

F 

F 

δ - 

OAc 

10% F 2 /N 2 

CHCl 3 /CFCl 3 1:1 

-78 o C 


F 

60% 

OAc 

• Fluorierung von Dodekahedran (M. LIEB, H. PRINZBACH); Adsorption an NaF(s) 

• Fluorierung von Mehrfachbindungen 

• Steroide 

O 

H3C F 2 

O 

H C 3 

• Fluorierung von Uracil zu 5-Fluoruracil (Cytostatikum): Ausbeute 90% 

HN 

O 

O 

N 

H 

F 2 /N 2 , 

H 2 O 

HN 

O 

O 

N 

H 

F 

OH 

H 2 SO 4 

HN 

• Fluorierung von C-H-aciden Verbindungen (R. D. CHAMBERS) 

CH3 O O 

EtO OEt 

O O 

10% F 2 /N 2 

10% F 2 /N 2 , 

CH 3 CN, 5 o C 

O 

F CH3 O O 

O 

N 

H 

kat. Cu(NO 3 ) 2 . 2.5H2 O O O 

F 

F 

F 

90% 

F 

EtO OEt

• Fluorierung von Aromaten (R. D. CHAMBERS) 

OMe 

CHO 

• Andere Beispiele 

OAc 

AcO 

AcO 

O 

OAc 

S 

10% F 2 /N 2 

HCOOH 

OMe 

F 

CHO 

I 2 , 10% F 2 /N 2 

CH 3 CN, r.t. 

δ 

F F 

+ δ- AcO 

AcO 


H 

O 

H 

OAc 

O 

O 

OAc F 

2.1.2. Elektrofluorierung 

• J. H. SIMONS (1941, publiziert 1949): Elektrolyse von organischen Substraten in aHF 

mit Nickel-Anode unterhalb der F2-Abscheidungsspannung 

• Reviews: J. H. SIMONS, J. Electrochem. Soc. 1949, 95, 47 

J. H. SIMONS Memorial Issue, J. Fluorine Chem. 1986 

• Relativ gute Löslichkeit vieler organischer Substanzen in aHF 

• Durchführung: Anode: Nickel, keine F2-Entwicklung! 

Kathode: Edelstahl, H2-Entwicklung 

Spannung: 4.5-6 V 

Lösungsmittel HF bei 0ºC, ev. Leitsalz 

Abtrennung der mit HF nicht mischbaren Produkte 

• Eigentliches Fluorierungsmittel: Durch anodische Oxidation gebildetes NiF3/NiF4; 

auch Na2NiF6 zeigt der Elektrofluorierung vergleichbare Reaktivität 

• Beispiele: Ether → Perfluorether 

R-COF → RF-COF → z.B. CF3COOH 

R-SO2F → RF-SO2F → z.B. CF3SO3H 

R-NH2 → RF-NF2 

R2NH → (RF)2NF 

R3N → (RF)3N 

• Herstellung von Blutersatzstoffen (3M), FCKW, Perfluoralkylsulfonsäuren

2.1.3. Nucleophile Fluorierung 

• FINKELSTEIN-Austausch (einfache SN-Reaktion) 

R I 

NaF 

EtOH 

R F 

• Reaktivität der Alkalifluoride: CsF > RbF > KF > NaF > LiF, Abnahme wegen 

zunehmender Gitterenergie der Salze 

• Verwendung von Phasentransferkatalysatoren mit großen, lipophilen Kationen 

• Ab 1892: F. SWARTS: Umsetzung von Halogenalkanen mit Fluoriden in Gegenwart 

von Lewis-Säuren als Katalysator: SbF3, SbF5, AgF, HgF2, AlF3 

SbF3Br2 • “Nacktes” Fluorid 

CCl 4 , CHCl 3 

CCl 3 CF 3 CF 3 

SbF 3 

SbF 3 /SbCl 5 

CF 3 

AgF 

HNO 3 

H 2 

Kat. 

H 2 

Kat. 

NO 2 

FCKW-Gemische 


CF 3 

CrO 3 CF3 COOH 

NH 2 

Kolbe- 

Elektrolyse 

C 2 F 6 

• Alkalifluoride verlieren durch Wasserstoffbrücken oder Koordination zum Kation 

einen Großteil ihrer Nucleophilie und Reaktivität, andererseits extrem starke 

Tendenz zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken 

• “Nacktes”, d. h. völlig unhydratisiertes F - : sehr starkes Nucleophil, noch stärkere 

Base; erreichbar durch großes, lipophiles Kation und totale Wasserfreiheit

• Beispiele: 

P(NMe 2 ) 4 + F - 

Me 4 N + BF 4 - 

S + NMe Me N 2 2 

SF4 Me2NSiMe3 Me3SiF - 

2 

+ 

N 

N 

N N 

+ 

- BF 3 

Me 4 N + F - 

NMe 2 


+ 

Δ 

2 F - 

N 

N 

(Me 2 N) 3 P N P(NMe 2 ) 3 

[TAS] + F - 

+ 

N 

F - 

Me 3 SiF 2 - 

2.1.4. Hydrofluorierung und Halofluorierung 

• “HF”-Quellen: 

• Wasserfreie HF (aHF): wegen niedrigen Siedepunkts gefährlich zu handhaben 

• Alternative: Onium-Poly(hydrofluoride): 

R2OH + (HF)xF - Oxonium-Poly(hydrofluorid) 

C5H5NH + (HF)xF - Pyridinium-Poly(hydrohluorid) 

R3NH + (HF)xF - Ammonium-Poly(hydrofluorid) 

R3PH + (HF)xF - Phosphonium-Poly(hydrofluorid) 

Polyvinylpyridinium-Poly(hydrofluorid) 

a) Hydrofluorierung 

• 70% HF in Pyridin: OLAH’s Reagenz; bei konstanter Zusammensetzung 

destillierbar; reagiert sauer; Handhabung in Teflon oder PFA-Gefäßen 

• NEt3·3HF: basisch; kann in Glasgefäßen gehandhabt werden; nicht für 

Hydrofluorierung, aber für Halofluorierung und Epoxidöffnung geeignet 

• Allgemeines Reaktionsschema: 

"HF" 

"HF" 

H 

H H 

F 

F 

F 

"HF": z. B. HF/Pyridin

• Sehr hohe Selektivität z. B. bei Flüssigkristallsynthesen 

b) Halofluorierung: 

• Fluorid-Donoren: aHF, HF-Amine, AgF 

F 

70% HF/Pyridin, 

CH 2 Cl 2 

• Halonium-Äquivalente (“X + ”): N-Halogensuccinimid (NCS, NBS, NIS), 

1,3-Dibrom-5,5-dimethylhydanthoin (DBH) 

"X + ", "HF" 

X F 

c) Analoge Reaktionen mit anderen Elektrophilen: 

d) Epoxidöffnungen 

"X + ", "HF" 

- 

RS 

O 

F 

F 

+ 


- 

X 

F 

F 

"X + " z.B. PhSSPh, 

z. B. Oxidation und 

Cope-Eliminierung 

"HF" 

HO 

2.1.5. Herstellung und Reaktivität von kernfluorierten Aromaten 

• Aromatisierung von Perfluorcycloalkanen 

CH 3 

CoF 3 

CF 3 

F 

Fe, Δ 

F 

F 

F 

CF 3 

F 

S + 

S 

F 

F 

CF 3 SO 3 -

• BALZ-SCHIEMANN-Reaktion (späte 1920er Jahre) 

N 

+ BF - 

N 4 

• HALEX-Prozeß 

Cl 

NO 2 

NH 2 

NaF, Δ 

HBF 4 , 

NaNO 2 


NaNO 2 

Cl 

Cl 

F 

NO 2 

Cl 

NaF, Δ 

Sand, Δ 


hν 

NO 2 

• Nucleophile Substitution an fluorierten Aromaten 

- 

O 

N 

O 

+ 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

H 

N 

F 

Cl 

F 

NO 2 

Cl 

NaF, Δ 

O 

+ F 

N 

+/- Nu - 

Nu 

- +/- F- O 

- 

F 

F 

N 

F 

F 

F 

Meisenheimer- 

Komplex 

H 

N 

F 

F 

+ N 2 + BF 3 

N 

N 

- 

O 

N 

O 

+ 

NO 2 

F 

F 

F 

Nu

Reaktivität von Fluoraromaten 

• Starke Polarisierung der C-F-Bindung 

• Fluor “bevorzugt” Bindung an sp 3 -Kohlenstoff (in sp 2 -Hybrid abstoßende 

Wechselwirkung zwischen dem Kohlenstoff-p-Orbital und den freien 

Elektronenpaaren des Fluoratoms, sowie Stabilisierung durch Hyperkonjugation) 

δ + 

90° 

F 

δ - 

109.5° 

F F 

• “Orthogonale Reaktivität” von Olefinen und Perfluorolefinen, bzw. Aromaten und 

Perfluoraromaten durch „orthogonale“ Elektronendichteverteilung: 

H 

H 

F 

F 

H 

H 

F 

F 

+ Nu - 

H 

H 

F 

F 

H E 

H E 

+ E 

H H H 

+ 

H 

H 

+ 

H H H 

H 

H 

+ - H + 

F Nu F Nu 

+ Nu 

F F F 

- 

F 

- - F- + E + 

F 

- 

F 

H 

Farbkodierte (blau: positiv, rot: negativ) Auftragung des elektrostatischen Potentials auf 

die Iso-Eektronendichteoberfläche von C6H6 (links) und C6F6 (rechts) (B3LYP/6-61G*). 


F 

F 

F 

F 

H 

H 

F 

F 

F - 

+ 

F 

E 

H 

Nu 

F 

H 

H 

F 

F

2.1.6. Umwandlung von funktionellen Gruppen 

Alkohol Fluor 

• Nebenreaktion bei allen Methoden: Eliminierung 

• Zwei-Stufenreaktion mit Aktivierung über Triflat, Tosylat oder Halogenid 

R OH Tf2 O, Na 2 CO 3 , 

CH 2 Cl 2 

R O 

SO 2 

F 3 C 

KF, 18-C-6, 

CH 3 CN 

R F 

• α,α-Difluoralkylamine (YAROVENKO-, ISHIKAWA-Reagenzien), α-Fluor-enamine 

(GHOSEZ) 

F 3 C 

F 

F 

N 

F 

O 

N 

+ N 

F 

H 

F + 

H 

F 

COCl 2 

N 


Cl 

CF 3 

NaF 

F 3 C 

• Schwefeltetrafluorid oder Diethylaminoschwefeltrifluorid (DAST) 

N 

R OH R O 

O 

N 

SF 3 

N 

S 

N 

F F 

SF 4 

SF 3 

N 

SiMe 3 

R F 

N 

SF 3 

"MOST" "Deoxofluor 

N 

TM " 

N 

F - 

S2Cl2 KF, Cl2 , 

CH3CN, 80o SF4 C 

O O 

SF 3 

SF 3 

PF 4 

F 

N 

F 

F 

+ HF + SOF 2 

+ Me 3 SiF 

"DAST" 

N

• HF oder HF/Pyridin (OLAH’s Reagenz) mit stark aktivierten Alkoholen 

HO 

HO 

C 

H 3 

C 

H 3 

OH 

AcO 

AcO 

CH 3 

OH O 

OAc 

O 

CH 3 

O 

OAc 


CH 2 Cl 2 , -35 o C 


CH 2 Cl 2 , -35 o C 


CH 2 Cl 2 , 0 o C 

AcO 

AcO 

C 

H 3 


HO 

HO 

C 

H 3 

F 

OAc 

O 

F 

CH 3 

F O 

Carbonyl Fluor 

• Schwefeltetrafluorid (SF4) oder DAST: Häufig durch BRÖNSTEDT- oder LEWIS-Säure 

katalysiert (HF, SbF3, BF3) 

O 

DAST 

oder 

SF 4 

O 

CHF 2 

O 

SF4 , HF 

O 

Br 2 , hν 

CF2 O 

CF2 CF 2 Br 

CH 3 

O

• Oxidative Fluorodesulfurierung über Dithian oder Dithiolan: „Hal + “ z. B. Br2, NCS, 

NBS, NIS, DBH, SO2Cl2, NO + BF4 - ; „HF“ z. B. HF/Pyridin und andere 

HF-Amin-Komplexe 

O 

SH 

HS 

BF . 

3 OEt2 

S 


S 

+ "Hal + " 

S + 

S Hal 

+ SHal 

S 

F - 

"HF", 

"Hal + " 

F 

Hal 

F 

+ "Hal + " 

F 

F 

S + 

S 

F - 

SHal 

SHal 

• Oxidative Fluorodesulfurierung von Thiocarbonylverbindungen (HIYAMA-Methode) 

OH 

OH 

N 

N 

Carboxyl Trifluormethyl 

• Schwefeltetrafluorid (SF4) 

R 

S O 

N 

N 

O OH O F 

SF 4 

oder 

DAST 

COOH 

O 

SF R 

4, 

CH2Cl2 , 

100°C 

S 

SF 4 

"HF", 

"Hal + " 

CF 3 

O 

O 

CF 3 

F 

F

“Elektrophile” Fluorierung 

• Xenondifluorid (XeF2) 

• Herstellung aus Elementen: Photochemisch oder bei 300ºC im Rohrreakor 

• Vorsicht bei Verunreinigung mit XeF4: Hydrolyse und nachfolgende 

Disproportionierung zu hochexplosivem XeO3 

• Geeignete Lösungsmittel: CH2Cl2, CH3CN 

O 

H 

XeF 2 

OCHF 2 

R-COOH XeF2 

XeF 2 , 

HF 

F H,F 


R-F 

• “OF”-Reagentien: CsSO4F, CF3OF, CH3OF, CH3COOF, CF3COOF 

• Vorher industrielle Verwendung von ClO3F (= “ClF“-Reagenz) für 

Steroidsynthesen (Schering AG) 

• Nachteile, speziell von ClO3F: Explosiv, hochtoxisch 

AcO 

C 

H 3 

C 

H 3 

OAc 

ClO 3 F 

O 

C 

H 3 

F 

C 

H 3 

α+β-F 

OAc 

• “NF”-Reagentien (E. BANKS, E. DIFFERDING, F. A. DAVIS, T. UMEMOTO) 

N + 

CH2Cl S O 

O 

N + 

F 

S 

O O 

NF 

N + 

2BF - 

4 

B2F - 

7 

F 

SelectfluorTM NFThTM NFPyTM N + 

F 

F 

N + 

Synfluor TM 

2BF 4 -

• Herstellung der Reagenzien 

N 

N 

CH 2 Cl 2 , BF 3 , 

10% F 2 /N 2 

N + 

CH2Cl N + 

F 

N 

2BF 4 - 

CH 3 CN, BF 3 , 

10% F 2 /N 2 

• Mechanismus der „elektrophilen“ Fluorierung 

Nu 

R3N F + + Nu 

R 3 N + 

F 

CT-Komplex 

S O 

O 

NNa 

S 

O O 


N + 

F 

B 2 F 7 - 

e - -Transfer 

F . -Transfer 

10% F 2 /N 2 , 

CHCl 3 /CFCl 3 

R 3 N + Nu 

• Reaktionen mit CH-aciden Verbindungen und aktivierten Aromaten 

O 

C 

H 3 

COOEt 

F 

COOEt 

F 

NHCOMe 

F 

C 

H 3 

OAc 

N + 

CH2Cl N + 

F 

2BF 4 - 

AcO 

C 

H 3 

F 

O 

C 

H 3 

F 

O 

F 

F 

S O 

O 

NF 

S 

O O

2.2. Perfluoralkylierung 

Radikalischer Mechanismus 

• Sehr hohe Stabilität von Perfluoralkylradikalen 

• Herstellung aus Perfluoralkanoylperoxiden 

R F -COCl (R F -COO) 2 

H 2 O 2 

• Herstellung aus Perfluoralkylhalogeniden 

R-COF ECF 

RF-I + R 

R F -COF R F -COOAg 

1. H 2 O 

2. Ag 2 CO 3 

kat. AIBN, 

Δ 

R F . + CO2 


I 

Δ 

I 2 , Δ 

R F 

R F -I 

RF R Zn, H + R 

• Elektrochemische Methoden zur Erzeugung von Perfluoralkylradikalen: 

a) Oxidativ: Ce(NH4)2(NO3)6 

b) Reduktiv: Na2S2O4, Fe, Pd(PPh3)4, Ti(Cp)2Cl2 

Perfluoralkylierung am Aromaten 

• Häufig über in situ hergestellte Perfluoralkyl-Kupfer-Verbindungen 

O2N I 

O2N CF3 CF 3 COONa, 

CuI, NMP, Δ 

Nukleophile Reagenzien 

• Stabilität von Perfluoralkylanionen: α- bzw. β-Eliminierung: 

M-CF 3 

M-CF 2 CF 3 

MF + CF 2 

MF + F 2 C=CF 2 

• Destabilisiert durch Wechselwirkung der freie Elektronenpaare am Fluor und am 

Kohlenstoff 

• Möglichkeit zur Bildung von LiF (hohe Gitterenergie) begünstigt Fragmentierung 

• Stabilisierung durch Adduktbildung mit DMF 

• Perfluoralkyl-Alkaliverbindungen über Alkalifluoride und Perfluorolefine 

F 

F 

F CF 3 

R + CsF Cs - RF F + 

F

• Perfluoralkyl-Lithiumverbindungen aus Alkyllithium (z. B. MeLi·LiBr) und 

Perfluoralkylbromid oder -iodid zugänglich 

• Weitere wichtige Perfluoralkylmetallverbindungen: XZnCF3, XCdCF3, CuCF3 

• Perfluoralkylsilane (“RUPPERT-Reagenz” und längerkettige Analoga) 

O F3C OSiMe3 Me 3 SiCF 3 , THF, 

kat. Bu 4 NF 

“Elektrophile” Reagenzien 

• Reaktion von Nukleophilen mit Perfluoralkylhalogeniden 

R'-I R-O-R' 

Williamson- 

Ethersynthese 

R O 

R F -I 

R-O-R F 

keine Reaktivität über SN1 oder SN2-Mechanismus 

O 2 N 

δ - 

R F -I 

δ + 

|Nu - 

R F - + I-Nu 

R F -I NaOMe R F H 85-93%; exotherm 

SNa 

F 7 C 3 I, 

DMF 

O 2 N 

SC 3 F 7 


O 2 N 

• Reaktionsverlauf stark abhängig vom Lösungsmittel 

• Varianten unter Bestrahlung bekannt 

• Katalyse durch Methylviologen (“Redoxpendler”) 

60% 

S 

S NO2 Radikalischer Mechanismus (z. B. für |Nu - = - |CMe2NO2): 

R F -I + |Nu - [R F - -I] .- + Nu . 

[R F - -I] .- R F . + I - 

R F . + |Nu - [R F -Nu] .- 

[R F -Nu] .- + R F -I R F -Nu + [R F -I] .-

• Perfluoralkyliodonium-Salze (FITS-Reagenzien; L. YAGUPOLSKII) 

R F -I R F -I(OCOCF 3 ) 2 Toluol in 

80% H 2 O 2 in 

(CF 3 CO) 2 O 

-15 bis 20 o C, 

2 d 

NaCl in 

Aceton/H 2 O, 

0 o C 

R F 

I Cl 

CH 3 

CF 3 COOH, 

0 o C, 3d 

I OCOCF 3 

• Perfluoralkyl-S-dibenzothiophenium-, -Se-dibenzoselenophenium und –O-dibenzo- 

furaniumsalze (T. UMEMOTO) 

S + 

CF3 BF 4 - Se + 

• Synthese der UMEMOTO-Reagenzien 

S 

O 

SCF 3 

CF 3 

N 

H 2 

SCF 3 

NaNO 2 , 

HBF 4 

10% F 2 /N 2 , 

CH 3 CN 

(CF 3 SO 2 ) 2 O 

CF 3 

S 

F F 

S + 

CF 3 SO 2 O 

SCF 3 


R F 

CH 3 

BF 4 - O + 

N + 

N 

CF 3 

CF 3 

CF 3 SO 3 - 

BF 4 - 

CF 3 

Δ oder hν 

BF 3 

S + 

CF3 S + 

CF3 BF 4 - 

BF 4 - 

CF 3 SO 3 -

N 

H 2 

OCF 3 

• Reaktionen 

O 

O O 

(84%) 

(89%) 

(92%) 

CF 3 

- CF3 O O 

Na+ 

CF 3 

n-H 25 C 12 SCF 3 

(87%) 

n-H 25 C 12 SNa 

from: T. Umemoto 

Li 

OK 

O 

CF 3 

NaNO 2 , 

HSbF 6 

K + 

O 

B 

O 

O 

CF 3 

CF 3 

O 

Se 

CF3 F3C + 

(49%) 

O 

N 

+ 

- 

CF OTf 

3 

N + 

N 

OCF 3 

Lagerform 

O 

S + 

- 

CF OTf 

3 

CF 3 

(26%) 

SbF 6 - 

Δ 

oder 

hν 

S + 

NO2 - 

CF OTf 

3 

O + 

CF3 P. KIRSCH: Angewandte fluororganische Chemie: Synthese, Pharmazeutika, Flüssigkristalle 28 

O 2 N 

O + 

SbF - 

CF 6 

3 

RSO 3 H 

ROSO 3 H 

RSO 3 CF 3 

ROSO 3 CF 3 

Difluorcyclopropanierung: Difluorcarben 

• Herstellungsprinzip: Fragmentierung von CF3 - 

N 

H 

ROH 

N 

H 

Me 3 SiO 

CF 3 

ROCF 3 

(90%) 

N 

BF 4 - 

in situ-Umsetzung 

R 

O 

NH 2 

R 

N + 

SbF - 

6 

CF3 CF 3 

OH 

Ph 3 P 

/DMAP 

(69%) 

NH2 CF3 + 

(57%) 

CF 3 

Ph 3 P + CF 3 - OTf 

(76%) 

CF 3 

(6%) 

NH 2 

CF 3 

(26%) 

OH 

+ 

(52%) 

• Elektrophiles Carben: Difluorcyclopronanierung elektronenreicher Doppelbindungen 

F F 

CF 3 COONa, 

Δ 

OH

2.3. Besondere fluorhaltige Gruppen 

Die Difluormethoxygruppe 

• Difluormethoxyaromaten 

ONa OCHF 2 

CHF 2 Cl 

• Difluormethoxyaliphaten (Kohlenhydrate): häufig instabil 

R OH R OCHF 2 

BrZnCF 3 

oder 

FO 2 SCF 2 COOH 

Die Trifluormethoxygruppe und längerkettige Homologe 

• Trifluormethoxyaromaten 

OH 

CCl 4 

OCF 2 

• Pentafluorethoxyaromaten 

OCCl 3 

R F + HF + CO 

OCF 3 


O 

O 

OH O 

(F3CCO) 2O O 

F 

CF 3 

HF 

SF 4 

SF 4 

• Trifluormethoxyaliphaten (Kohlenhydrate, Flüssigkristalle) 

R OH 

1. NaH 

R O 

2. CS2 3. MeI 

S 

SCH 3 

R OSO2CF3 TAS + OCF - 

3 

R OCF3 NBS, 

70% HF/Pyridin 

R OCF 3 

OC 2 F 5

Die Trifluormethylthiogruppe 

• Umsetzung eines Thiolats mit CF3I in DMF 

• Thiocarbonyldifluorid und Alkalimetallfluorid 

NO 2 

O2N F 

S=CF2 , 

CsF 

O2N SCF3 • Übergangsmetall-Trifluormethylthiolate (CuSCF3, AgSCF3) 

• Herstellung: 

3 AgF + CS2 → Ag2S(s) + AgSCF3 


NO 2 

AgSCF3 + CuBr → AgBr(s) + CuSCF3 

• Umsetzung zu anderen Metallsalzen durch Halogenaustausch in CH3CN 

O2N I 

O2N SCF3 CuSCF 3 

• Elektrophile Einführung mit F3CSCl oder (F3CS)2 

MeO MeO SCF3 CF3SCl Die Pentafluorosulfuranylgruppe 

• Pentafluorosulfuranyl-Aromaten (SHEPPARD) 

O 2 N 

SS 

NO 2 

• Reaktionen mit SF5Cl, SF5Br oder S2F10 

F 5 SSF 5 

R R 

10% F 2 /N 2 

oder 

AgF 2 

F5SCl KOH 

Cl SF5 SF 5 

O 2 N 

R 

SF 5 

SF 5

• Herstellung und Reaktivität von F5SOOSF5 

F 5 SCl 

O 2 

F 5 SOOSF 5 

2.4. Spezielle Synthesen mit fluorierten Synthesebausteinen 

Tetrafluorethylen 

• Carbonyl-ähnliche Reaktivität von Perfluorolefinen 

MgBr 

Chlortrifluorethylen 

F 

F F 

OH 

ONa 

F 

F 

F F 

F 

F F 

F 2 C=CF 2 + COF 2 + CsF + I 2 

MgBr 

1,1,1,2-Tetrafluorethan 

F 

F 

F 

F Cl 

F 3 CCH 2 F 

BuLi 

F 

F 


F 

F 

F 

O 

F 

F 

O 

F 

F MgBr 

F 

Cl 

Li 

F F 

F 

F 

F 

F 

SF 5 

F 

F 3 COCF 2 CF 2 I + CsI 

BuLi, 

-100 o C 

F 

F 

F 

Li

Hexafluoraceton 

• Reaktivität als extrem elektronenarme Carbonylverbindung (KNUNYANTS-Reaktion) 

F 3 C 

F 3 C 

O 

AlCl 3 

CF 3 

OH 

Dibromdifluormethan 

• Synthese von exo-Difluormethylenverbindungen in einer WITTIG-analogen Reaktion 

R 

Bromdifluoressigsäure 

• Reaktivität als Elektrophil 

O 

O 

O 

O O 

H 

CF 2 Br 2 , 

P(NMe 2 ) 3 

CF 2 Br 2 , 

P(NMe 2 ) 3 , 

Zn 


F 

F 

R 

CF2Br2 , 

P(NMe2 ) 3 

O 

F 

F 

O 

H 

F 

CF 3 

OH O O 

1. BrF2CCOONa 2. HCl 

F 

F OH 

• Elekrochemische Aktivierung zum Nukleophil 

BrF 2 CCOOEt Zn oder TDAE, 

O 

F 

F F 

HO 

OEt 

O

B: Pharmazeutika 

1. Besondere Eigenschaften fluorhaltiger Pharmazeutika 

• Wasserstoff-Mimick: VAN DER WAALS-Radius F: 1.35 Å, H: 1.2 Å, Cl: 1.8 Å, OH: 1.4 

Å (Bioisosterie) 

• Fluorhaltige Gruppen fungieren als Mimick für andere, metabolisch labile Gruppen 

(z. B. -NO2, -OPO3 2- ) 

• Induktiver Effekt → Modulation der Reaktivität von Reaktionszentren; veränderte 

pKa-Werte steuern Ionisierungsgrad; erhöhte Hydrolysestabilität von 

Fluornucleosiden; Desaktivierung von Aromaten gegen Cytochrom 

P450-katalysierten oxidativen Abbau 

• C-H → C-F: Inhibition durch hohe C-F-Bindungsenergie (z. B. Fluoracetat); 

metabolische Stabilisierung durch verlangsamten Abbau führt zu verbesserte 

Bioverfügbarkeit 

• H → F, CH3 → CF3: Erhöhung der Lipophilie; wichtig z. B. bei Psychopharmaka für 

Durchtritt durch Blut-Hirn-Schranke 

• Völlig veränderte („orthogonale“) Reaktivität im Vergleich zu Wasserstoffderivaten 

(z.B. Fluoruracil): „Suizid-Inhibition“ von Enzymen 

• Fluor kann als Wasserstoffbrückenakzeptor fungieren: Stabilisierung bestimmter 

Vorzugskonformationen; verbesserte Bindungsspezifität durch Wasserstoffbrücken 

von Zielstruktur (z. B. Protein) 

Konsequenz: Etwa 50% der z. Z. (2000) in Entwicklung befindlichen Pharmazeutika 

enthalten Fluor! 

1.1. Bioisosterie 

• -OPO3 2- → -CF2PO3 2- 

HO 

P 

O 

OH 

O 

NH 2 

COOH 

hydrolyseempfindliche 

Bindung 

• -Cl → -OCF3 („Pseudohalogen“) 

Cl 

Diazepam 

(Valium TM ) 

H 3 

C 

N 

N 

O 

HO 

P 

F F 

OH 

O 

F 3 CO 


H 3 

C 

N 

N 

NH 2 

O 

COOH

• 4-Nitroaromat → 3,4-Difluoraromat 

N 

H 2 

• -OH → -F 

O 

N 

H 

HO 

NO 2 

N 

O 

O 

HN 

O 

N 

H 

HO 

OH 

1.2. Wasserstoffbrücken 

1.3. Lipophilie 

HO 

HO 

F 

O 

N 

H 

O 

I 

N 

NH 2 

Ph 

COOMe 


HO 

HO 

N 

H 2 

HN 

O 

OH 

F 

O 

N 

O 

I 

F 

N 

H 

N 

Fialuridin 

HO F H 

β-Agonist α-Agonist 

Noradrenalin-Analoga 

• Lipophilieparameter: Dekadischer Logarithmus aus Verteilungskoeffizient zwischen 

Wasser und Octanol (logP) 

SO 2 CH 3 

logP 0.50 2.70 

• logP wird erhöht durch: aromatische Fluorierung 

NH 2 

O 

SO 2 CF 3 

Fluorierung an Atomen neben π-Systemen 

Fluorierung am Kohlenstoff neben Heteroatomen 

• logP wird erniedrigt durch: Monofluorierte Alkylketten 

Trifluormethylierte Alkylketten 

α-Fluorierung von Carbonylgruppen (Hydratbildung) 

α-Fluorcarbonsäuren 

F 

O 

O 

N 

H 

R

1.4. Wirkungsmechanismen: Suizid-Inhibition von Enzymen 

• Beispiel 1: 5-Fluoruracil 

HN 

O 

HN 

O 

HN 

O 

HN 

O 

O 

N 

R 

O 

N 

R 

O 

N 

R 

O 

N 

R 

H 

H 

- S-Enzym 

H 

H 

S-Enzym 

Methylen-Tetrahydrofolat (THF) 

CH2-THF H 

H 

S-Enzym 

Dihydrofolat (DHF), HS-Enzym 

CH 3 

H 

• β-Eliminierung des Thiolats 

• Hydrid-Verschiebung vom 

CH 2 -THF 

• Beispiel 2: Aromatase-Inhibition 

O 

O 

O 

O 

HO 

C 

H 3 

H H 

OH 

H OH 

OH 

O 

C 

H 3 

O 

NADPH + O 2 

NADPH + O 2 

- H 2 O 

H 

NADPH + O 2 

HN 

O 

HN 

O 

HN 

O 

+ HCOOH 


O 

N 

R 

O 

N 

R 

O 

N 

R 

O 

O 

O 

O 

F 

H 

F 

H 

S-Enzym 

CH2-THF F 

H 

S-Enzym 

F 2 HC 

F F 

OH 

O 

O 

- HF 

F 

- F - 

N 

H 2 

N 

H 2 

C 

H 3 

N 

HO 

N 

HO 

N N H 

N 

H 

H 

N N H 

O 

Nu-Enzym 

N 

Nu-Enzym 

desaktivierte Aromatase 

N 

N 

H 

Methylen-Tetrahydrofolat 

(CH 2 -THF) 

O 

O 

N 

H 

N 

H 

COO- 

COO- 

COO- 

Dihydrofolat (DHF) 

COO-

C: Design und Synthese von Flüssigkristallen 

1. Einleitung 

Active Matrix Display (AMD) 

commercial production: 1989 

concept: B. J. Lechner, 1971 

Super Twisted Nematic (STN) 

T. J. Scheffer et al., 1984 

Twisted Nematic Mode (TN) 

M. Schadt, W. Helfrich, 1971 

Dynamic Scattering (DSM) 

R. Williams, 1962 

R OCF 3 

R CN 

R 

R CN 

PhCOO 

R OEt 

F F 

R F 

“Super Fluorinated Materials” (SFM), 1985 

O 

RO N 

N 

R. Eidenschink et al., 1976 

O CN 

D. Demus et al., 1975 

O 

RO 

G. W. Gray et al., 1972 

R 

N 

F. Reinitzer, 1888 

Design of a Twisted Nematic (TN) Cell 

Adapted from: S. Kobayashi, H. Hori, Y. Tanaka, Active Matrix Liquid Crystal 

Displays in Handbook of Liquid Crystal Research (Eds.: P. J. Collings, J. S. Patel), 

Oxford University Press, New York - Oxford, 1997, 415-444. 

Absorption 

V th 

Voltage 

F 

R 

Application Relevant Properties 

crystalline smectic nematic isotropic 

Liquid Crystal Display 

2 

S = 3cos 

ϑ 

Nematic phase range Working temperature range (-40 → +110°C) 

Dielectric anisotropy (Δε) Threshold resp. driving voltage 

Birefringence (Δn) Display design (cell thickness, polarizers, 

compensation film: Δn typically 0.05 → 0.3) 

Rotational viscosity (γ 1) Switching time (τ on + τ off) 

1 − 

2 


ϑ n 

Segment, Passive and Active Matrix Display 

1 

T

aus: Scientific American, (11) 1997 


2. Struktur-Eigenschaftsbeziehungen 

“Architecture” of Nematic Liquid Crystals 

mesogenic core 

structure 

Temperature [ C] 

tail 

Δε > 0 

polar 

group 

link 

cyclic subunit 

Δε < 0 

Δε ~ 0 

μ || , ε || , n || 

~ nematic phase director 

~ long molecular axis 

Display Specific Parameters: 

Threshold Voltage V th and Switching Time 

Threshold Voltage 

V th 

= π 

Switching Time 

τ 

on 

( K − 2K 

) 

K1 

+ 3 

4 

ε Δε 

2 

γ 1d 

= 

2 

2 ⎛V 

⎞ on π K ⎜ −1 

⎟ 

1 2 

⎝ Vth 

⎠ 

0 

2 

≅ π 

γ d 

τ off = 

π 

K1 

ε Δε 

0 

2 

1 

2 

K1 

equilibrium 

configuration 

K 1 

“splay” 

K 2 

“twist” 

K 3 

“bend” 

μ ⊥ , ε ⊥ , n ⊥ 

Optimization of Mesophase Range - Side Chains 

200 

180 

160 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

H 2m+1 C m 

3/1 2/2 5/1 4/1 5/3 3/3 2/3 5/2 3/2 2/4 4/3 3/5 5/5 2/5 4/2 3/4 4/5 5/4 4/4 

m/n 

F 

F 

C n H 2n+1 

nematic 

crystalline 

Dielectric Anisotropy: Maier, Meier, 1961 

Δ = ε −ε 

Δ || ⊥ 

n = n − n = n − n 


ε || 

Electrooptic Characteristics and 

Molecular Structure 

⊥ 

e 

o 

2 ( 1− 

3cos 

) S 

NhF 

F 

kBT 

⎭ ⎬⎫ 

2 

⎧ μ 

Δε = ⎨Δα 

− 

β 

ε 0 ⎩ 2 

Birefringence: Vuks, 1966 

Δε > 0 

n 

Δε < 0 

2 

ne −1 

N ⎛ 2ΔαS 

⎞ 

= ⎜α 

+ 

2 

⎟ 

n + 2 3ε 

0 ⎝ 3 ⎠ 

2 

no −1 

N ⎛ ΔαS 

⎞ 

= ⎜α 

− 

2 

⎟ 

n + 2 3ε 

0 ⎝ 3 ⎠ 

2 

3 

2 2 

; 

H7C3 C3H7 Δn ~ 0.043 

2 ne 

+ no 

n = 

• M. Bremer, K. Tarumi, Adv. Mater. 1993, 5, 842-848. 

H11C5 Δn ~ 0.248 

C5H11 • M. Klasen, M. Bremer, A. Götz, A. Manabe, S. Naemura, K. Tarumi, Jpn. J. Appl. Phys. 1998, 37, L945-L948. 

Optimization of Mesophase Range - Fluorination 

No. Structure Mesophases ( C) 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

7 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

C 2 H 5 

C 2 H 5 

C 2 H 5 

C 2 H 5 

C 2 H 5 

C 2 H 5 

C 2 H 5 

C 171 S ? (160) N 217 I 

C 118 N 189 I 

C 104 N 164 I 

K 125 N 195 I 

K 125 N 164 I 

K 111 S B 149 S A 168 I 

K 69 N 175 I 

Structure-Property Relationships - Birefringence ( n) 

No. 

1 

2 

3 

4 

5 

6 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

Structure 

C 2 H 5 

CH 3 

CH 3 

CH 3 

CH 3 

C 2 H 5 

n 

0.064 

0.082 

0.167 

0.255 

0.281 

0.364

No. 

1 

2 

3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

Structure-Property Relationships 

- Dielectric Anisotropy ( ) 

Structure No. Structure 

F 

F 

F 

F 3.8 

F 6.6 

F 9.4 

4 

5 

6 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

OCF 3 

OCF 3 

OCF 3 

6.9 

8.7 

9.5 

Property Comparison: 

Biphenyl vs. Cyclohexenylphenyl Derivative 


H 7 C 3 

F F 

F 

F H 7 C 3 

T NI ( C) 25 61 

15 15 

n 0.14 0.093 

F F 

3. Zuverlässigkeit (“Reliability”) von Flüssigkristallen für Aktiv-Matrix-Displays 

Why Fluorinated Liquid Crystals? 

Good voltage holding ratio, 

high specific resistivity 

High dielectric anisotropy (Δε) 

due to polarized C-F bond 

Broader nematic phase range, 

lower melting point 

Heat of Interaction [-1.0 kcal/mol] 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

1990 

1985 

1980 

H 7 C 3 

H 9 C 4 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 CF 3 + 

H 7 C 3 

C 34 N 177.7 I 

N 

CF3 Δε ~ 9 

C 171 S ? (160) N 216.8 I 

Calculated Heat of Interaction with “Sparkle” 

vs. VHR of LC Homologue Mixture 

N 

O O 

F 

N 

OCHF 2 

F F 

ME2N.F PCH-3 CCU-3-OD PCH-3O1 CCP-3OCF3 

Liquid Crystal 

• M. Bremer, S. Naemura, K. Tarumi, Jpn. J. Appl. Phys. 1998, 37, L88. 

O 

OCF 3 

CN Δε ~ 21 

F 

F 

+ 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

C 4 H 9 

Voltage Holding Ratio [%] 

C 2 H 5 

Heat of Interaction with „Sparkle“ 

11.8 kcal . mol -1 

CH 3 

ΔΔH f 0 = 3.1 kcal . mol -1 

(= heat of interaction) 

+ 

8.6 kcal . mol -1 

N 

F 

F 

+ 

+ 

OCHF 2 

Ab Initio (HF/6-31G*) Geometries of Energy Minima 

with Sodium Cations 

OCHF 2 

-31.1 

(-7.0) 

OCF 3 OCF3 

-18.9 

(-4.3) 

Heats of Interaction in kcal . mol -1 („sparkle“ energy) 

N 

F 

-36.5 

(-10.9) 

-29.3 

(-5.4) 

F 

OCF 3 

F 

F 

F 

-26.8 

(-4.8) 

-27.0 

(-2.1)

n-Coordination of Sodium Cations to 

Fluorinated Benzenes 

-22.2 

1.387 

Heats of Interaction in kcal . mol -1 (HF/6-31G*) 

F 

2.112 

1.311 

1.354 

-26.6 

1.351 

2.290 

2.270 

-29.8 

vs. n-Coordination of Sodium Cations 

with Anisole 


-29.8 

-28.5 

1.359 

F 

F 

F 

2.260 

F 

F 

OMe 

Materials Used for Active Matrix LCD 

Positive 

R F 

Negative 

Dielectrically “neutral” 

R 

F 

F 

OCHF 2 

R OCF 3 R F 

R CH 3 

F F 

R R 

R O 

F F 

R 

R 

F 

F 

R 

CH 3 

R R 

R 

F 

R 

O F 

O 

R R 

F 

F 

F 

F 

O 

F 

F 

F 

Complexes for Benzene and Fluorinated Benzenes 

with Sodium Cations 


1.393 

Na-C: 2.819 

-27.0 -21.9 

-17.3 

Heats of Interaction in kcal . mol-1 ; interatomic distances in Å 

Na-C: 2.908, 2.886, 

2.831, 2.803 

Na-C: 2.988, 2.900, 2.811 Na-C: 3.080, 3.014, 

2.882, 2.816 

1.312 

C-C (Benzene): 1.386 

F 

F 

-35.3 

-26.3 

-18.5 

1.309 

-12.9 

C-F (PhF): 1.331 

Chelation Effects with Sodium Cations 


R 

F 

R 

R 

F 

R 

O 

O 

F 

F O 

F 

R 

O SF 5 

O 

F 

R 

O OCF 3 

R 

R 

F 

O 

O 

F 

O 

O 

R 

R 

R 

F 

R 

F 

1.317 

1.308 

F F F F F 

F 

F F F F F F 

F 

F 

OCHF 2 

F F 

S 

F F 

O F 

F F 

F 

F 

R 

F 

F

• die wichigsten Trade-Off-Beziehungen, die beim Design neuer Flüssigkristalle 

berücksichtigt werden müssen: 

Gewüschter Effekt Typische Methode „Nebenwirkung“ 

Erhöhung des 

Klärpunkts (TNI) 

Erhöhung der 

dielektrischen 

Anisotropie (Δε) 

Senkung der 

Rotationsviskosität (γ1) 

Senkung der 

Doppelbrechung (Δn) 

Verlängerung und/oder 

Versteifung des 

mesogenen 

Grundkörpers 

Laterale Fluorierung an 

aromatischen 

Substrukturen 

Verwendung eines 

kurzen mesogenen 

Grundkörpers 

Verwendung eines rein 

(cyclo)aliphatischen 

mesogenen 

Grundkörpers 

4. Materialien mit positiver dielektrischer Anisotropie ( > 0) 

4.1. Typische Synthesemethoden 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H7C3 b c 

d 

O 

H 7 C 3 

a 

F 

F 

H 7 C 3 

F 

F 

OCHF 2 

a) 1. 3,5-F 2 PhMgBr, THF; 2. Toluene, cat. TsOH; azeotropic removal of water. b) 

1. H 2 , 5% Pd-C, THF; 2. Repeated crystallization. c) 1. nBuLi, THF; -70°C; 2. 

B(OMe 3 ); 3. 30 % H 2 O 2 , NaOH. d) NaOH, H 2 O, CHF 2 Cl. 

Merck KGaA - Liquid Crystal Research 

F 

F 

F 

F 

OH 

Anstieg der Rotationsviskosität 

(γ1 wächst in etwa proportional 

zur Moleküllänge l 4 ) 

• Absinken des Klärpunktes 

um 30-40 K pro laterales 

Fluoratom 

• Häufig Anstieg von γ1 

• Schlechtere „reliability“ 

Sehr niedriger Klärpunkt 

• Starke Tendenz zur 

Ausbildung unerwünschter 

SB-Phasen 

• Häufig hohe Schmelzpunkte 


H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

d 

O 

O 

F F 

a 

H 7 C 3 

F 

F 

F 

F 

H 7 C 3 

F 

F 

c 

e 

a) 1. 3,4,5-Trifluorobromobenzene, Mg, THF; 2. Cat. H2SO4 , xylene; azeotropic removal 

of water. b) 1. H2 , 5% Pd-C, THF; 2. Crystallization. c) 1. BH3•THF; 2. 30% H2O2 , 

HOAc; 3. PCC, CH2Cl2 . D) DAST, CH2Cl2 . E) KOtBu, THF. f) 1. H2 , 5% Pd-C, THF; 2. 

Crystallization. 


H 7 C 3 

F 

H 7 C 3 

f 

F 

F 

b 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F

Te mpe rature 

Δε 

Δn 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

CC P-3F.F ax-fluoro gem-difluoro vinylic fluorine 

F 

F 

I 

N 

C 

6.4 6.8 9.7 10.0 

0.079 0.079 0.084 0.109 

F 

F 


4.2. Polare Endgruppen: Die Trifluormethylgruppe - Synthesemethoden 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

CF 3 

Δε = 6.8 Δn = 0.054 

H 5 C 2 

CF 2 CF 2 

Δε = 6.2 Δn = 0.054 

H 7 C 3 

F 

F 

CF3 H C 7 3 

Δε = 16.3 Δn = 0.086 Δε = 23.8 Δn = 0.138 

CF 3 

H 7 C 3 

Δε 

Δε = 9.5 Δn = 0.091 

F C 3 F 

Δε = -7.5 Δn = 0.132 

Dr. Peer Kirsch Merck KGaA - Liquid Crystal Research 

CF 3 

Δn 

OEt 

F 

H 11 C 5 

H 7 C 3 

F 

F 

CF 3 

Δε = 9.7 Δn = 0.09 

F 

F 

CF 3 

CF 3 

Δε = 18.2 Δn = 0.137 

Ortho-Metallation and Copper-Mediated 

“Radical” Trifluoromethylation 

H 7 C 3 

67% 

1. LDA, THF; 

-40 o C 

2. I 2 

20-30% 

O 

CuI, F 3 CCOOK, 

cat. Me 4 NBr, 

NMP; 120 o C 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

C 100 I 

T NI = 56.1ºC (extrapol.) 

Δε = 16.3 Δn = 0.086 


F 

F 

F 

F 

I 

CF 3 

F 

F 

D. Pauluth, 1990 


F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

Use of Pre-Formed Building Blocks 

H 7 C 3 

80-90% 

O 

Cat. TsOH, 

toluene; -H 2 O 

F 3 CPhBr, BuLi, 

THF; -78 o C 

H 7 C 3 

30-40% 

H7C3 1. H2 , 5% Pd-C, 

THF 

2. Crystallization 

H 7 C 3 

C 133 I 


Δε = 9.5 Δn = 0.091 


H 7 C 3 

H7C3 1. BuLi, KOtBu, 

Et2O; -100 

F 

oC 2. B(OMe) 3 ; -35o 49% 

C 

3. HCl 

64% 

1. LDA, THF; 

-70 o C 

2. I 2 ; -35 o C 

H 7 C 3 

B(OH) 2 

CF 3 

CF 3 

OH 

CF 3 

E. Poetsch, 1995 

Ortho-Metallation and Copper-Mediated 

“Radical” Trifluoromethylation 

H 7 C 3 

23% 

CuI, F 3 CCOOK, 

cat. Me 4 NBr, 

NMP; 155 o C 

H 7 C 3 

F 

F 

F 

F 

F 

F 


CF 3 

F 

F 

3,5-difluorobromobenzene, 

cat. Pd(PPh3 ) 4 , 

K2CO3 , H2O, EtOH, H2O;50o 97% 

C 

C 79 I 


Δε = 23.8 Δn = 0.138 

F 

F 

E. Bartmann, 1994 

I

“Electrophilic” Trifluoromethylation 

H7C3 CHO 

25% 

CBr4 , PPh3 , 

CH2Cl2; r.t. 

H7C3 92% 

BuLi, THF; 

-65 to -20 o C 

21% 

1. BuLi, THF; 

-15 o C 

2. -75 o C 

Se+ 

CF3 H 7 C 3 

H 7 C 3 

CF 3 SO 3 - 

(MEC-13) 

T NI = -19.2ºC (extrapol.) 

Δε = 9.7 Δn = 0.09 

V. Reiffenrath, 1998 


H 7 C 3 

~ quant. 

KF, MeOH; 

reflux 

H 7 C 3 

50-60% 

H 2 , 5% Pd-C, 

THF 

O 

Me3SiCF3 , 

cat. Bu4NF, THF; 

-20o ~ quant. 

H7C3 C 

H 7 C 3 

OH 

CF3 80-90% 

SOCl 2 , pyridine; 

r.t. 

H 7 C 3 


CF 3 

C 19 S H? (8) S B? 41 I 

T NI = -43ºC (extrapol.) 

Δε = 6.8 Δn = 0.054 

CF 3 

Silicon-Mediated Nucleophilic 

Trifluoromethylation 

P. Kirsch, 1998 

Br 

OSiMe3 CF3 Use of Pre-Formed Building Blocks 

O 

CF3 MeOCH2PPh3Cl, KOtBu, THF; 

-10o 60% 

O 

C to r.t. 

49% 

1. KOtBu, THF H C 5 2 

PPh3Br H5C2 2. MePhSO 2 H, 

toluene 

1. OsO H C 4 , H2O, 5 2 

morpholin-N-oxide, 

dioxane; 90oC 2. DMSO, (F3CCO) 2O, NEt3 , CH2Cl2 ; 

-78o 49% 

C to r.t. 

16% 

SF 4 , cat. HF, 

CH 2 Cl 2 ; 70 o C 

H 5 C 2 

O 

O 

F 

F 

F F 


CF 3 

93% 

98% HCOOH, 

toluene 

CF 3 

CF 3 

CF 3 

OHC 

CF 3 

F. Huber, P. Kirsch, 

M. Lieb, 1999 

Br 

C 52 S B 116 I 


Δε = 6.2 Δn = 0.054 

CF 3 


C 74 N 142.7 I 


Δε =18.2 Δn = 0.137 



H 11 C 5 

H 11 C 5 

F2C=CFH, BuLi, 

THF, Et2O; -90oC to -50o 64% 

H11C5 C 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

F 

1. LDA, THF; 

-70oC 2. N-Formylpiperidine; 

-70oC to -30o 79% 

H11C5 CHO 

F 

F 

C 

F 

OH 

F 

DAST, CH2Cl2 ; 

F F F 5o 39% 

C to r.t. 

F 

F F 

LDA, THF; 

-70oC to -40o 13% 

H C 11 5 

CF3 C 

E. Bartmann, 1993 

Conversion of Functional Groups 

80-90% 

COOH 

SF 4 , CH 2 Cl 2 ; 

80 o C 

C 19 S H? (8) S B? 41 I 

T NI = -43ºC (extrapol.) 

Δε = 6.8 Δn = 0.054 

CF 3 


1. BuLi, THF; 

OEt 

F3C F 

-70 

F C 3 F 

F3C o 58% 

1. BuLi, THF; 

C 

2. B(OMe) 3 

3. H2O2 , HOAc 

4. EtBr, K2CO3 , 

acetone 

-70oC 2. I2 , THF 

3. BuLi, THF; 

-70o 53% 

C 

4. Me3SiCl H 7 C 3 

F 

F 

F 

CF 3 

E. Bartmann, H.-A. Kurmeier, 

M. Lieb, 1989 


60% 

1. PrCycPh-B(OH) 2 , 

cat. Pd(PPh 3 ) 4 , 

aqu. Na 2 CO 3 , 

toluene; 50 o C 

2. CsF, DMF; 

80 o C 

59% 

1. BuLi, KOtBu, 

THF; -78 o C 

2. I 2 , THF 

I 

F 3 C 

SiMe 3 

SiMe 3 


F 

OEt 

F 3 C 

C 80 I 

T NI = 44ºC (extrapol.) 

Δε =-7.3 Δn = 0.133 

F 

OEt 

F 

OEt 

M. Bremer, 1998

4.3. Polare Endgruppen: Die Pentafluorsulfuranylgruppe 

Dielectric anisotropy 

Conventional Terminal Groups 

Δε 

20 

8 

6 

4 

Terminal group 

X 

-CN 

-CF 3 

-F 

??? 

-OCF 3 

Ways to increase 

• Polar terminal group 

• Lateral fluorination 

• Polar ring increments 

(e.g. 1,3-dioxane or 1,3-dithiane) 

R X 

The Pentafluorosulfuranyl Group 

• W. A. Sheppard, J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 4751-4752. 



• V. Reiffenrath, R. Eidenschink, G. Weber (Merck KGaA), DE 3721268, 1987. 

• P. Kirsch, M. Bremer, M. Heckmeier, K. Tarumi, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1999, 38, 1989-1992. 

H 7 C 3 

• Highly polar but non-coordinating group 

• High stability against basic or acidic hydrolysis 

• High thermal stability 

• Sensitive only against strong reductive agents 

O 

O 

CF 3 

μ = 2.6 D 

SF 5 

μ = 3.44 D 

SF 5 Based Liquid Crystals 

X-Ray Structure 

F F 

S 

F F 

F 

181 pm 

C1-S1-F1: 92.3° 

158 pm 

158 pm 

2-Ring Liquid Crystals for Different Applications 


Virtual Clearing Point / o C 

30 

10 

-10 

-30 

-50 

-70 

-90 

-110 

-130 

-150 

O 2 N 

SF 5 

NO 2 

H 7 C 3 X CN 

F 

OCF 3 

CF 3 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 

H7 C 3 

H 7 C 3 

lateral fluorination Dielectric Anisotropy ( ) 

cyclohexane 1,3-dioxane 

10% F 2 /N 2 , 

CH 3 CN; -5 o C 

S 

S NO 2 

SF 5 

NH 2 

SF 5 

SF 5 

SF 5 

Br 

H 7 C 3 

cyano materials 

TN, STN displays 

“super fluorinated materials” (SFM) 

TFT displays 

SF 5 

OH 

SF 5 

CHO 

H 11 C 5 

H 7 C 3 

SF 5 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

• P. Kirsch, M. Bremer, M. Heckmeier, K. Tarumi, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1999, 38, 1989-1992. 

New 2-Ring Liquid Crystals for Various Applications 

Virtual Clearing Point / o C 

30 

10 

-10 

-30 

-50 

-70 

-90 

-110 

-130 

-150 

H 7 C 3 

F 

OCF 3 

CF 3 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 

lateral fluorination 

cyclohexane 1,3-dioxane 

1,3-dioxane 1,3-dithiane 

X 

SF 5 

CN 

SF 5 derivatives 

SFM materials 

Dielectric Anisotropy ( ) 

O 

O 

S 

S 

O 

O 

SF 5 

cyano materials 

SF 5 

SF 5 

SF 5

The Pentafluorosulfuranyl Group 

• The pentafluorosulfuranyl group combines a strong dipole 

moment with low affinity to ionic trace contaminations 

• Liquid crystals deriving their dielectric anisotropy from the 

pentafluorosulfuranyl function are the most polar materials 

which are still compatible with active matrix LCDs 

• The chemical stability of arylpentafluorosulfuranes allows 

a wide range of reaction conditions and also meets the 

reliability requirements for commercial liquid crystals 

• The steric flexibility of the pentafluorosulfuranyl group 

might give rise to novel synergistic effects 

4.4. Polare Ringstrukturen im mesogenen Grundkörper: 1,3-Dioxane 

Positive Dielectric Anisotropy by Polar Core Substructures 

mesogenic core 

structure 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

tail 

link 

tail 

polar cyclic subunit 

OH EtO COOEt 

53% 

+ H C 7 3 

OH 

COOEt 

a) 

O OH 

29% 90% 

H C 7 3 

b) 

O OH 

c) 

O OSiMe 3 

O 

OSiMe 3 

30-40% 

H 7 C 3 

• nematic phase director 

• long molecular axis 

μ || , ε || , n || 

μ ⊥ , ε ⊥ , n ⊥ 

a) cat. p-TsOH, xylene; distillative removal of EtOH. b) LiAlH 4 , THF. c) Me 3 SiCl, DMF, 

NEt 3 . d) R-CHO, cat. Me 3 SiOTf, CH 2 Cl 2 ; -78°C. 

• Peer Kirsch, Eike Poetsch, Adv. Mat. 1998, 10, 602-606. 

d) 

O 

O 

O 

O 

COOEt 

COOEt 

O 

O 

R 

Strongly Polar LCs with Low Birefringence 


H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

EtO 

O 

O 

? 

O 

O 

CN 

C 3 H 7 

COOEt 

69% 

O COOEt 

54% 

COOEt 

a) O COOEt 

b) 

55% 

OHC 

d) 

O OSiMe3 O 

OSiMe 3 

65% 

h) 

H 7 C 3 

91% 

OBn 

(cis/trans) 

H C 7 3 

OBn 

e) 

• Not suitable for AM-LCD 

• High rotational viscosity (γ 1 ) 

due to molecular association 

• Dipole localized in one 

functional group 

New Concept: 

Dipole moment “delocalized” 

over whole molecule 

• Suitable for AM-LCD 

• Lower birefringence (Δn) 

• Lower rotational viscosity (γ 1 )? 

O O 

O 

O O 

R = E-CH=CHC3H7 f) 50% 

R = C5H11 a) Cat. p-TsOH, xylene, distillative removal of EtOH. b) LiAlH4 , THF. c) 1. NaH, THF; 

2. BnBr. d) 98% HCOOH, toluene. e) Cat. Me3SiOTf, CH2Cl2 ; -78°C. f) H2 , 5% Pd-C, 

THF. g) Me3SiCl, DMF, NEt3 . h) R-CHO, cat. Me3SiOTf, CH2Cl2 ; -78C. 

O 

O 

O 

O 

X = OH 

X = OBn 

X = OBn 

X = OH 

X = SiMe 3 

O 

O 

R 

O 

OX 

OX 

c) 51% 

OX 

OX 

f) 17% (trans) 

g) 86%

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

Oligo(1,3-dioxane) Concept: Results 

O 

O 

O 

O 

O 

O 

O 

O 

CN 

C 3 H 7 

O 

O 

C 59 S B (53) N 82.1 I 

T NI,extr = 19.3°C 

Δε = 9.4 Δn = 0.061 

γ 1 = 295 mPa·s 

C 82 S B 125 I 

T NI,extr = -0.7°C 

Δε = 8.3 Δn = 0.048 

γ 1 = 98 mPa·s 

C 5 H 11 

C 169 S B 234 I 

• insufficient solubility 

in ZLI-4792 

Oligo(1,3-dioxane) Based Liquid Crystals 

Influence of Conformation on Dielectric Anisotropy 


Dielectric Anisotropy ( ) 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

O 

O 

H 

O 

O 

R 

H 

H 

O 

O 

anti H 

gauche 

180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 

Torsion Angle 

• Most polar non-fluorinated material so far 

which is still suitable for AM-LCD 

• Very low birefringence (Δn) 

• Significantly improved rotational viscosity (γ 1 ) 

• Disadvantages are smectic B phases and poor 

solubility in fluorinated LC host mixtures 

• Clear demonstration of the strong influence of 

the conformational equilibrium on electrooptical 

properties 

4.5. Brücken innerhalb des mesogenen Grundkörpers: 

Phase Sequence /ºC 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

Die Difluoroxymethylenbrücke 

74.7 

N 

C 

F 

F 

F 

F 

CCP-3F.F.F (1) F 

CCQU-3-F (2) 

91.5 

1 2 

Operating Temperature 

Range 

CF 2 O Bridged Liquid Crystals 

Physical Properties 

Dielectric Anisotropy (Δε) 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

1 2 

Rotational Viscosity (γ 1 ) /mPa·s 

180 

160 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

O 

F 

F 

F 

1 2 

Driving Voltage Switching Time 

Route A 

Synthesis of CF 2 O Bridged Liquid Crystals 

Prior Work on Aromatic Systems 

R CHO 

SF4 R CHF R 2 

Br2 , hν 

CF2Br PhONa 

Route B 

R CF 3 R CF 2 Cl 

AlCl 3 

S 

S 

DAST or NBS, Bu4NH2F3 R Br R 

1. Mg 

2. CSCl 

Route C 

2 

R 

Cl 

PhOH, 

pyridine 

O 

X 

O 

Lawesson's Reagent 

Route D 

R 

X 

O 

• A. Haas, M. Spitzer, M. Lieb, Chem. Ber. 1988, 121, 1329-1340. 

• E. Bartmann, Adv. Mater. 1996, 8, 570-573. 

• E. Bartmann, K. Tarumi (Merck KGaA), DE 19531165, 1995. 

• M. Kuroboshi, T. Hiyama, Synlett 1994, 251-252. 

• T. Ando et al. (Chisso Corp.), EP 0844229, 1998. 

O 

O 

3 

2.5 

2 

1.5 

1 

0.5 

0 

0 ) /kcal mol -1 

R 

Relative Torsion Energy ( H f 

R CF2O PhONa 

X

R 

Route A 

Synthesis of CF 2 O Bridged Liquid Crystals 

Prior Work on Cycloaliphatic Systems 

O 

O 

X R 

Lawesson's 

Reagent 

F 

Br 

R O R 

CF2Br2 , 

P(NMe2 ) 3 

Route B 

F 

Br2 R CF Br 2 

PhONa 

R CF O 2 

S 

O 

X 

DAST or 

R CF O 2 

NBS, HF-pyridine 

Lawesson´s Reagent 

S 

S 

MeO P P 

S S 

• M. Kuroboshi, T. Hiyama, Synlett 1994, 251-252. 

• T. Ando et al. (Chisso Corp.), EP 0844229, 1998. 

• P. Kirsch, A. Hahn, T. Wallmichrath, 1998, to be published. 

Synthesis and Reactivity of Dithianylium Salts 

Prior Work 

CH 3 COCl HS(CH2 ) 3 SH, 

70% HClO 4 

C 

H 3 

S + 

S + 

S 

ClO 4 - 

H 2 

OMe 

S 

COCl 

HS(CH2 ) 3SH, HBF . 

4 Et2O S 

BF - 

4 

MeOH, 

NEt3 S 

OMe 

• V. A. Lokshin et al., Khim. Geterosikl. Soedin. 1980, 1, 47-50. 

• T. Okuyama, Tetrahedron Lett. 1982, 23, 2665-2666. 

• I. Stahl, I. Kühn, Chem. Ber. 1983, 116, 1739-1750. 

• J. Klaveness, K. Undheim, Acta Chem. Scand. Ser. B 1983, 37, 258-260. 

Synthesis and Stability of Dithianylium Salts 

Liquid Crystal Precursors 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 11 C 5 

F 

F 

COOH HS(CH2 ) 3 SH, 

CF 3 SO 3 H 

COOH 

HS(CH 2 ) 3 SH, 

CF 3 SO 3 H 

COOH HS(CH2 ) 3 SH, 

CF 3 SO 3 H 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

H 11 C 5 

• Colorless or yellowish solids 

• At room temperature stable for months 

• Soluble in CH 3 CN, THF, CH 2 Cl 2 etc. 

F 

F 

S + 

S 

S + 

S 

S + 

S 

CF 3 SO 3 - 

CF 3 SO 3 - 

CF 3 SO 3 - 

Novel Large-Scale Synthesis of CF 2 O Based Liquid Crystals 

R 

R 

R 

R COOH 

~90% 

CF 3 SO 3 H, propanedithiol, toluene/isooctanol; 

reflux; azeotropic removal of water 

S + 

S 

CF 3 SO 3 - 

Trifluorophenol, NEt 3 , CH 2 Cl 2 ; -78°C, 5 min 

S 

S 

O 

F 

F 

F 

Amine-HF, "Hal + ~70% 

", CH2Cl2 ; -78°C to room temp. 

F 

F 

O 

F 

F 

F 

• easy work-up of 

dithianylium salt 

• easy purification of 

final LC product: crude 

product has >99% 

after silicagel filtration 

Amine-HF: e.g. NEt 3 . 3HF (non-corrosive), 

50% HF-pyridine 

„Hal + “: e.g. Br 2 , NBS, DBH 

• Combination of 50%HF-pridine with Br 2 does not work! 

• P. Kirsch, A. Taugerbeck, M. Bremer, D. Pauluth, 2000, patent application. 

X 

X 

Retrosynthetic Considerations 

fixed trans geometry 


O 

R 

R 

R 

S + 

S 

R COOH 

HS(CH 2 ) 3 SH, 

cat. BF 3 . OEt2 

S 

S 

S 

F 

F 

O 

O 

S 

HO 

X 

X 

X 

standard intermediates 

Oxidative Fluorodesulfuration of Thioketals 

Prior Work 

NBS or NO + BF 4 - , 

HF-pyridine 

F F 

• J. Kollonitsch, S. Marburg, L. M. Perkins, J. Org. Chem. 1976, 41, 3107-3111. 

• S. C. Sondej, J. A. Katzenellenbogen, J. Org. Chem. 1986, 51, 3508-3513. 

• C. York, G. K. S. Prakash, G. A. Olah, Tetrahedron 1996, 52, 9-14. 

H 11 C 5 

The Elusive Dithioorthoester Intermediate 

Attempted Isolation 

R 

S + 

S 

R 

TfO - 

HO 

F 

NEt3 , 

CH2Cl2 ; 

20o F 

C 

R COOH 

F 

F 

H 11 C 5 

H 11 C 5 

H 11 C 5 

F 

F 

O 

S 

S 

O 

Novel Large-Scale Synthesis of CF 2O Based Liquid Crystals 

R 

F 

1. CF3SO3H, propanedithiol, neat; 120°C, 30 min 

80-90% 

2. crystallization from acetonitrile/ether 

F 

+ 

S 

CF3SO - 

3 

S 

F 

Trifluorophenol, NEt3 , CH2Cl2 ; -78°C, 30 min 

F 

S 

F 

S 

O F 

F 

F 

80% NEt . 

3 3HF, Br2 , CH2Cl2 ; -78°C, 30 min 

F 

F 

F 

F 

O 

F 

F 

F 

S 

S 

F 

F 

F 

F 

F 

F

Alkoxydifluorodesulfuration of sec-Alkyldithianylium Salts 

Proposed Mechanism 

H 11 C 5 

H 11 C 5 

R 

R 1 

R 1 

R 1 

R 1 

R 1 

R 1 

S 

S 

+ "Br +" 

S 

S + 

Br 

+ F - 

F 

S 

F 

S + 

+ "Br +" 

S + 

Br 

+ F - 

F 

F 

S 

S 

R 1 

S 

S 

+ 

R 1 

- H + 

+ R2O- + H + + R2O- SiMe 3 

S 

S 

- H + 

SBr 

SBr 

SBr 

O 

R 1 

H 

S 

S 

+ 

+ "Br +" 

S + 

S + 

Br 

NEt 3 . 3HF, 

DBH 

R 1 

+ R2O- R 1 

R 1 

R 1 

R 1 

H 11 C 5 

1. CF3SO3H H11C5 2. HOPh, NEt3 3. NEt . 

3 3HF 

4. DBH 

H + 

R 

R 

S 

S 

+ "Br +" 

OR 2 

S 

S 

+ 

OR 2 

Br 

S + 

OR 2 

+ F - 

F 

S 

OR 2 

+ "Br +" 

S + F 

Br 

OR 2 

+ F- 

F 

F 

OR 2 

SBr 

SBr 

SBr 

S + 

S 

F 

F 

F 

F 

O 

S + 

S 

F 

F 

F 

R CF 2 O F 

R CF 2 O F 


HO 

CCl3 R CF2O CF3 R CF2O R CF 2 O F 

F 

HO 

F 

F 

R 

R CF 2 O 


H 7 C 3 

H 7 C 3 

Die Tetrafluorethylenbrücke 

Liquid Crystals with a CF 2 CF 2 Bridge 

First Synthesis 

O 

OEt 

F 

F 

O 

37% 

1. Na, Me 3 SiCl, 

toluene; 40°C 

2. NH 4 NO 3 , HOAc, 

cat. Cu(OAc) 2 ; 

reflux 

13% 

C 3 H 7 

H 7 C 3 

DAST (neat), 

cat. ZnI 2 ; 60°C 

O 

H 7 C 3 

O 

16% 

C 3 H 7 

SF 4 , cat. HF, CH 2 Cl 2 ; 

70°C, 2 d 

F 

F 

F F 

C 3 H 7 

Merck KGaA – Liquid Crystal Research 

O 

F 

F 

F 

HOCH 2CCl3 

HO 

HOCH 2CF3 

HO 

F 

F 

S + 

S 

F 

F 

F 

F 

R CF2O OCF3 F 

F 

F 

F 

HO 

F 

HO 

CF 3 SO 3 - 

CF 3 

HO 

OCF 3 

HO 

R CF 2 O OCF 3 

HO 

COOEt 

CN 

OCF 3 

R CF 2 O CF 3 

F 

R CF 2 O CN 

CF 2 O COOEt 

• after addition of nucleophil: 

NEt 3 •3HF, “Hal + ” (Br 2 , NBS, NIS); 

-78ºC → room temp. 

The Difluorooxymethylene (CF 2 O) Bridge 

• Insertion of a CF 2 O bridge in liquid crystals results in 

• higher clearing points (T NI ) 

• higher dielectric anisotropy (Δε) 

• lower birefringence (Δn) 

• lower rotational viscosity (γ 1 ) 

• improved voltage holding ratio (VHR) and specific resistivity 

• In situ oxidative fluorodesulfuration of dithioorthoesters 

allows fast and easy large-scale synthesis of any CF 2 O 

bridged liquid crystals 

• Dithianylium salts are a convenient and readily accessible 

synthon for the one-pot synthesis of aromatic and aliphatic 

α,α-difluoroethers 

Br 

1. 

H C 7 3 

88% 

F 

O 

F 

F 

1. Mg, THF 

2. O 

O 

O 

3. cat. H2SO4 , 

toluene; -H2O F 

O 

F 

PPh 3 +Br- 

F 

H 7 C 3 

LDA, THF; 

-10°C to room temp. 

2. MePhSO 2 Na, HCl, 

toluene; reflux 

75% 

H 7 C 3 

1. DMSO, (CF 3 CO) 2 O, 

CH 2 Cl 2 ; -60°C 

2. NEt 3 ; -60 to 5°C 

O 

O 

MeO 

MeOCH 2 PPh 3 + Cl - , KOtBu, 

THF; -10°C to room temp. 

F 

F 

F 

F 

F 

55% 

H2 , 5% Pd-C, 

THF 

O 

O 

F 

95% 

F 

HCOOH, 

toluene 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

53% 

F 

OHC 

1. HCOOH, 

F 

toluene 

2. cat. NaOH, 

MeOH 

OH 

65% H7C3 NMO, cat. OsO 4 , 

H 2 O, dioxane; reflux 

17% 

SF 4 , cat. HF, CH 2 Cl 2 ; 

-196 to 120°C, 2 d 

H 7 C 3 

HO 

F 

F 

F F 


F 

F 

F 

• 9 steps 

• 2% overall yield 

F 

F 

F 

F 

F 

F 

F

HO CF2CF2 OH HO CF2CF2 OH 

5% Rh-C, i-PrOH, 

5 bar H2 ; 60o 76% 

79% 

PCC, CH2Cl2 C 

O CF 2 CF 2 O 

H11C5PPh + 

3 Br- , 

KOtBu, THF; 

-10o 99% 

C to r.t. 

81% 

HCOOH, toluene 

H 9 C 4 

86% 

1. HCOOH, toluene 

2. MeOH, cat. NaOH 

92% 

HS(CH2 ) 3SH, TfOH, 

toluene/i-octane; 

reflux, azeotropic 

removal of H2O H 11 C 5 CF 2 CF 2 CHO 

H 11 C 5 

2,2-dimethyl-1,3-propandiol, 

cyclohexane, cat. H2SO4 ; 60o 83% 

C 

CF 2 CF 2 

CF 2 CF 2 

H 11 C 5 CF 2 CF 2 CF 2 O 

O 

O 

S + 

S 

F 

F 

O CF 2 CF 2 

18% 

H11C5 1. 5% Pd-C, H2 , 

THF; 1 bar, r.t. 

2. multiple 

recrystallization 

H11C5 CF2CF2 O 

MeOCH2PPh + 

3 Br- , 

KOtBu, THF; 

-10o 79% 

H11C5 C to r.t. 

CF 3 SO 3 - 

F 

O 

O 

CF 2 CF 2 

CF 2 CF 2 


O 

O 

OMe 

66% 

H11C5 CrO3 , H2SO4 , 

acetone 

CF2CF2 COOH 

Phase Sequence /ºC 

180 

160 

140 

120 

100 

1. 3,4,5-trifuorophenol, 

NEt3 ; -78o ~35% 

C 

2. NEt . 

3 3HF 

3. Br2 80 

60 

40 

20 

0 

CCP-3F.F.F (1) 

74.7 

91.5 

• 11 steps 

• 1% overall yield 

122.0 

S G 

F 

F 

1 2 3 4 

F 

128.0 

N 

S B 

Operating Temperature 

Range 

C 

F 

F 

F F 




F 

F 

O 

CCQU-3-F (2) F 

F 

F 

Dielectric Anisotropy (Δε) 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

F 

F 

F 

F 

F 

CWCU-3-F (3) 

1 2 3 4 

Rotational Viscosity (γ 1) /mPa·s 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

2.29 

171 

1.58 

145 

F 

F 

F F 

O F 

F 

CWCQU-3-F (4) 

Figure of Merit 

γ 1 /T NI 

2.20 

269 

1.95 

250 

1 2 3 4 

Driving Voltage Switching Time 


Die trans-Tetrafluorsulfuranbrücke 

Linear Bridging Groups for Liquid Crystals 

~ 147 pm 

~ 401 pm 

F 

S 

F 

F F 

~ 366 pm 

• low rotational barrier at 0° 

• minimum conformation 

with ~ 30° between aromatic 

plains 

• nearly unhindered rotation 

• photochemical instability 

• rotational barrier at 45° 

• two nearly equivalent 

conformations with 0° and 

90° between aromatic plains 

• sensitivity towards hydrolysis? 

F 

Bis(4-nitrophenyl)tetrafluorosulfurane 

Synthesis by Direct Fluorination 

O2N SH + Cl NO2 O 2 N 

S 

NO 2 

20-50-gram scale preparation: 

• P. Kirsch, M. Bremer, A. Kirsch, J. Osterodt, 

J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 11277-11280. 

80% 

10% F 2 /N 2 , 

acetonitrile 

19 F NMR: δ 43.5 (t, 2F, J = 99 Hz), 

14.4 (t, 2F, J = 99 Hz) 

O 2 N 

F 

(85% cis) 

F 

F F 

O2N S NO2 S 

F 

F 

F F 

(15% trans) 

m.p. 249°C, dec. 

19 F NMR: δ 48.1 (s) 

NO 2

X-Ray Structures of the cis and trans Isomers 

183 pm 

F 

F 

F 

162 pm 

F 

F 

S 

F 

F 

O h 

E A 

94.4 kcal . mol -1 

160 pm 

C1-S1-C7: 97.4° 

F 

F 

F 

F 

S 

F 

F 

D 3h 

-F- +F- "fluorophilic" catalyst 

F + F + 

F 

S E 

F 

A F S F 

F 

F F 

D 3h 

6.4 kcal . mol -1 

C 4v 

162 pm 

182 pm 

“Fluorophilically” Catalyzed Isomerization: 

Proposed Mechanism 

cis/trans (85/15) 

O2N F 

S 

+ 

NO2 F F 

The trans-Tetrafluorosulfuranyl Bridge 

• The octahedral geometry of hypervalent sulfur fluorides 

allows the design of a novel linear bridge element which 

is possibly suitable for liquid crystals and other materials 

• The synthesis of a mixture of the bis(aryl)tetrafluorosulfuranyl 

isomers is conveniently accomplished by direct 

fluorination of the corresponding deactivated thioether 

cat. BF 3 . Et2 O, CH 2 Cl 2 , 

room temp. 

O N 2 S 

NO2 F F 

trans 


BF 4 - 

• “Fluorophilic” catalysis allows the isomerization of the bent 

cis-isomer to the desired linear trans-isomer via the 

bis(aryl)trifluorosulfuranonium ion as probable intermediate 

“Fluorophilically” Catalyzed Isomerization 

87% 

F 

F 

? 

liquid crystals

5. Materialien mit negativer dielektrischer Anisotropie ( < 0) 

5.1. Typische Synthesemethoden 

F F 

94% b 

F F 

H 11 C 5 

H 7 C 3 

OH 

OEt 

94% 

a 

88% 

a 

μ 

N 

μ 

N 

C 3 H 7 


F F F F 

HO 

77% 

F F 

OEt 

a) 1. n-BuLi, THF, -70°C; 2. B(OMe) 3 ; -70°C → room temp.; 3. 30% H 2 O 2 , HOAc. b) 

EtBr, K 2 CO 3 , acetone; reflux, 18 h. c) 1. n-BuLi, THF, -70°C; 2. MeI; -70°C → room 

temp. 

c 

CH 3 



R 

H11 C 5 

H 11 C 5 

H11 C 5 

CN 

R = C 5 H 11 b, 75% 

77% c 

48% d 

R = C 3 H 7 

a, 41% 

N 

N 

N 

OH 

H 7 C 3 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

C 5 H 11 

a) 1. LDA, THF; -25°C; 2. H7C3Br. b) 1. LDA, THF; -25°C; 2. 4-pentylcyclohexanone; 

-25°C, 3 h. c) cat. H2SO4 , toluene; azeotropic removal of water. d) H2 , 5% Pd-C, ethyl 

acetate. 


F F 

1. BuLi, THF; 

OEt 

F3C F 

-70 

F C 3 F 

F3C o 58% 

1. BuLi, THF; 

C 

2. B(OMe) 3 

3. H2O2 , HOAc 

4. EtBr, K2CO3 , 

acetone 

-70oC 2. I2 , THF 

3. BuLi, THF; 

-70o 53% 

C 

4. Me3SiCl 60% 

1. PrCycPh-B(OH) 2 , 

cat. Pd(PPh 3 ) 4 , 

aqu. Na 2 CO 3 , 

toluene; 50 o C 

2. CsF, DMF; 

80 o C 

59% 

1. BuLi, KOtBu, 

THF; -78 o C 

2. I 2 , THF 

H 7 C 3 

I 

F 3 C 

SiMe 3 

38% 

b 

CH 3 

83% 

a 

H 7 C 3 

H 7 C 3 


F 

F F 

C 67 N 145.3 I 

T NI,extr 139°C 

Δε -2.7 Δn 0.095 

γ 1 218 mPa•s 

N 

C 3 H 7 

F F 

CH 3 

CH 3 

a) 1. n-BuLi, Et 2 O, -70°C; 2. trans-4-propylbicyclohexane-4‘-one; -70°C → room temp.; 

3. Cat. TsOH, xylene; azeotropic removal of water. b) H 2 , 5% Pd-C, THF. 

OEt 

F 3 C 

C 80 I 

T NI = 44ºC (extrapol.) 

Δε =-7.3 Δn = 0.133 

F 

OEt 

SiMe 3 

F 

OEt 

M. Bremer, 1998 

Merck KGaA - Liquid Crystal Research

5.2. Tertiär axial fluorierte Cyclohexanderivate 

N N 

Dielectrically Negative Materials: 

Two Types of Molecular Scaffold 

N N N 

F 

N 

F 

F F 

Increase of Negative by Repetition of Subunits? 

R 1 

F 

R 1 

F 

R 2 

Δε calc ~ -8 

Δε calc ~ -2 

• P. Kirsch, K. Tarumi, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1998, 37, 484-489. 

• P. Kirsch, K. Tarumi, Liquid Cryst. 1999, 26, 449-452. 

• P. Kirsch, V. Reiffenrath, M. Bremer, Synlett 1999, 389-396. 

R 1 

R 1 

F 

F 

R 2 

F 

F 

N 

N 

F 

Δε calc ~ -4.5 

Hydrofluorination with Olah’s Reagent 

15-50% 

b 

R 1 

O R 1 

80-90% 

a 

F 

R 2 

F 

R´ 

O 

O 

O 

O 

R 1 = C 2 H 5 ; R 2 = C 3 H 7 : 

C 9 S B 80 I 

Δε = -2.0 

γ 1 = 52 mPa . s 

a) R‘CH 2 PPh 3 + Br - , KOtBu, THF; -10°C → room temp., 2 h. b) 4 equivs. 70% HF/pyridine, CH2 Cl 2 ; 

-25°C → room temp., 1 h (R 2 = R‘CH 2 ). 

• Low cost reagent 

• Good yields, convenient work-up procedure 

• Suitable for industrial production scale (multi-kg) 

• G. A. Olah, J. T. Welch, Y. D. Vankar, M. Nojima, I. Kerekes, J. A. Olah, J. Org. Chem. 1979, 44, 3872-3881. 

R 2 

Dielectrically Negative Liquid Crystals 

Prior State of the Art 

1 st Generation: 

2 nd Generation: 


HO 

H 7 C 3 

H 7 C 3 

R 1 

N 

F 

F 

F 

O 

F 

CH 3 

R 2 

Δε ~ -8 

γ 1 > 400 mPa . s 

Δε ~ -2.3 

γ 1 ~ 220 mPa . s 

Δε ~ -5.9 

γ 1 ~ 410 mPa . s 

Axially Fluorinated Cyclohexane Derivatives 

Previously Reported Synthetic Methods 

Method A: 

R 1 

Method B: 

H 

R 1 

O 

N SF3 "DAST" 

OR 

R 2 MgX 

2-5%F 2 /N 2 

• both methods make use of potentially hazardous reagents 

• difficult synthetic procedure and isomer separation 

R 1 

• R. Winters, PhD Thesis, University of Paderborn, 1991. 

• S. Rozen, C. Gal, J. Org. Chem. 1987, 52, 2769-2779. 

R' PPh 3 +Br- 

O 

R 2 

e 

R 1 

F 

R' 

F 

R 2 

COOEt 

89% 

COOEt R' 

~ 70% 

O 

a b 

+ 

~ 65% 

d 

R' 

R 1 = C 3H 7; R 2 = C 5H 11: 

C 68 S B 120 I 

Δε = -4.2 

γ 1 = 251 mPa . s 

30-60% 

Br 

F 

17-20% f 

F 

OR 

~ 60% 

c 

OH 

R 2 

R 2 

COOEt 

a) H 2 , 5% Pd-C, toluene. b) R‘CH 2 PPh 3 + Br - , KOtBu, THF; -10°C → room temp., 2 h. c) 1. LiAlH4 , 

THF; reflux, 3 h; 2. CBr 4 , PPh 3 , CH 3 CN; -5°C → room temp., 18 h. d) PPh 3 , DMPU; 75°C, 18 h. 

e) KOtBu, THF; -10°C → room temp., 2 h. f) 20 equivs. 70% HF/pyridine, CH 2 Cl 2 ; -15°C → 10°C, 

10 min. (R 1 = CH 2 R‘). 

R 2

O 

O 

PPh 3 +I- 

52% 

a 

99% O 

58% 

b 

O 

c 

PPh +I- 3 

85% 

d 

F 

F 

O 

F 

a) 4-Ethylcyclohexanone, KOtBu, THF; -10°C → 0°C, 1 h. b) HCOOH, toluene; room temp., 18 h. 

c) KOtBu, THF; -10°C → 0°C, 1 h. d) HCOOH, toluene; room temp., 18 h. e) H 7 C 3 PPh 3 + Br - , THF; 

-10°C → room temp., 3 h. f) 12 equivs. 70% HF/pyridine, CH 2 Cl 2 ; -15°C → 10°C, 1 h. 

Pha se Transition Tem pe rature / o C 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

F 

F 

O 

f 

e 

51% 

26% 

O 

O 

C 120, dec. 

• poor solubility 

-0.34 -2.15 -1.86 Δε -0.30 -4.60 -3.83 

I 

N 

S B 

C 

CCH-33 CX -3-3 CX -V -2V ECCH-33 X EX -3-3 X EX -V -2V 

Virtual clearing point (T NI ) extrapolated from ZLI-4792 

F 

F 

F 

O 

O 

F 


O 

O 

6% 

d 

PPh3 +I- 95% 

O 

73% 

a O b 

F 

O 

55% 

c 

a) 4-Vinylcyclohexanone, KOtBu, THF; -10°C → room temp., 4 h. b) HCOOH, toluene; room temp., 

18 h. c) H 2 C=CHCH 2 CH 2 PPh 3 + Br - , THF; -10°C → room temp., 2 h. d) 4 equivs. 70% HF/pyridine, 

CH 2 Cl 2 ; -15°C → 10°C, 1 h. 

F 

C 74 S B (70) N 83 I 

Δε = -3.8 

γ 1 = 156 mPa . s 

Axially Fluorinated Cyclohexane Derivatives 

• Axial fluorocyclohexane is a versatile building block for a 

new generation of dielectrically negative liquid crystals 

compatible with active matrix technology 

• Compared to the respective non-fluorinated analogues 

the clearing points are increased by typically 50-70 K 

• Hydrofluorination offers a convenient access also to more 

complex axially fluorinated cyclohexane derivatives 

• Repetition of ax-fluorocyclohexane subunits leads to 

stepwise increase of negative dielectric anisotropy 

• Introduction of alkenyl side chains induces nematic 

mesophase range

D: Literatur 

1. Allgemeine Organofluorchemie 

[1] R. D. Chambers, Fluorine in Organic Chemistry (G. Olah; Ed.), Wiley Interscience, 

1973. 

[2] M. Hudlicky, Chemistry of Organic Fluorine Compounds – A Laboratory Manual, Ellis 

Horwood Ltd., John Wiley & Sons, 1976. 

[3] I. C. Knunyants, G. G. Yakobson, Eds., Syntheses of Fluoroorganic Compounds, 

Springer Verlag, 1985. 

[4] R. E. Banks, Ed., Preparation, Properties and Industrial Applications of 

Organofluorine Compounds, Ellis Horwood Ltd., John Wiley & Sons, 1982. 

[5] R. E. Banks, D. W. A. Sharp, J. C. Tatlow, Eds., Fluorine – The First Hundred Years 

(1886-1986), Elsevier Sequoia, New York 1986. 

[6] S. T. Purrington, B. S. Kagen, Chem. Rev. 1986, 86, 997-1018. 

[7] J. Mann, Chem. Soc. Rev. 1987, 16, 381-436. 

[8] G. A. Olah, R. D. Chambers, G. K. Surya Prakash, Eds., Synthetic Fluorine 

Chemistry, Wiley, New York 1992. 

[9] J. A. Wilkinson, Chem. Rev. 1992, 92, 505-519. 

[10] T. Kitazume, T. Yamazaki, Fusso no kagaku (Chemistry of Fluorine), Kodansha 

Scientific, Tokyo 1993. 

[11] Liste von Reviews zum Thema Organofluorchemie: G. Resnati, Tetrahedron 1993, 

49, 9385. 

[12] R. E. Banks, B. E. Smart, J. C. Tatlow, Eds., Organofluorine Chemistry, Plenum 

Press, New York 1994. 

[13] Sonderausgabe Organofluorchemie: Chem. Rev. 1996, 96, 1557-1823. 

[14] FCKW-Atmosphärenchemie (Nobel-Vortrag): F. S. Rowland, Angew. Chem. 1996, 

108, 1908-1921. 

[15] J. M. Percy, Building Block Approaches to Aliphatic Organofluorine Compounds in 

Topics in Current Chemistry (R. D. Chambers; Ed.), Vol. 193, pp. 132-187, Springer 

Verlag, Berlin-Heidelberg, 1997. 

[16] Allgemeiner Überblick: G. Sandford, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 2000, 358, 

455-471. 

[17] Fluoropolymere “Fluoroproducts – the extremophiles”: K. Jones, G. Stead, J. 

Fluorine Chem. 2000, 104, 5-18. 

[18] Unerwartete Aspekte der Atmosphärenchemie fluorierter Verbindungen: W. T. 

Sturges, T. J. Wallington, M. D. Hurley, K. P. Shine, K. Sihra, A. Engel, D. E. Oram, S. 

A. Penkett, R. Mulvaney, C. A. M. Brenninkmeijer, Science 2000, 289, 611-613. 


2. Spezielle Themen 

[19] Elektrophile Fluorierung: a) S. Rozen, Chem. Rev. 1996, 96, 1717-1736. b) G. S. Lal, 

G. P. Pez, R. G. Syvret, Chem. Rev. 1996, 96, 1737-1756. 

[20] Elektrophile Perfluoralkylierung: T. Umemoto, Chem. Rev. 1996, 96, 1757-1777. 

[21] Elektrofluorierung: a) J. H. Simons Memorial Issue, J. Fluorine Chem. 1986 (ganzes 

Heft). b) P. Sartori, N. Ignatiev, J. Fluorine Chem. 1998, 87, 157-162. 

[22] Fluorierung mit SF4, DAST und verwandten Reagenzien: a) C.-L. J. Wang, Org. 

React. 1985, 34, 319-400. b) W. J. Middleton, J. Org. Chem. 1975, 40, 574-578. 

[23] Chemie hochgradig fluorierter Carbanionen: W. B. Farnham, Chem. Rev. 1996, 96, 

1633-1640. 

[24] Perfluoralkylsilane und andere nucleophile Fluorierungsmittel: a) G. K. S. Prakash in 

“Synthetic Fluorine Chemistry” (G. A. Olah, R. D. Chambers, G. K. S. Prakash, Eds.), 

John Wiley & Sons, New York, 1992, pp. 227-246. b) D. J. Burton in “Synthetic 

Fluorine Chemistry” (G. A. Olah, R. D. Chambers, G. K. S. Prakash, Eds.), John 

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Angewandte Fluororganische Chemie: Synthese ... - Fluorine

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