三氟化硼（Boron Trifluoride）
三氟化硼（Boron Trifluoride）
國立臺灣師範大學化學系碩士班二年級曹育碩
三氟化硼$$(\mathrm{BF_3})$$一種無機化合物，亦為一種強路易士酸（Lewis acid），常溫常壓下為刺鼻的無色有毒氣體，具腐蝕性，不自燃亦不助燃，在潮濕空氣中易形成白色煙霧1。無水三氟化硼的沸點是 $$-100.3^\circ C$$ 而臨界溫度是$$-12.3^\circ C$$，在這些溫度範圍內以液態形式被儲存。
三氟化硼的幾何構型為平面三角形，$$\text{B-F}$$ 鍵是極性共價鍵，此分子具有高對稱性，故分子內無偶極矩作用力（dipole moment）。而此分子同時是缺電子化合物，強烈的傾向接受電子對，使三氟化硼易與路易士鹼（Lewis base）生成錯合物（complex）。最常見的方式是與氟化物和醚類化合物形成錯合物。
$$\mathrm{CsF+BF_3\longrightarrow CsBF_3}$$
$$\mathrm{(C_2H_5)_2O+BF_3\longrightarrow BF_3\cdot O(C_2H_5)_2}$$
典型製備三氟化硼的方法是利用氧化硼與氫氟酸反應而得，而氫氟酸則可由硫酸與氟化鈣（fluorite）反應得到。
$$\mathrm{B_2O_3+6HF\longrightarrow 2BF_3+3H_2O}$$
實驗室中常用重氮鹽類（diazonium salts）加熱裂解即可得到三氟化硼。
$$\mathrm{PhN_2BF_4\longrightarrow PhF+BF_3+N_2}$$
分子量較低的三鹵化硼 $$\mathrm{BX_3}(\text{X=F,Cl,Br})$$ 皆可與相同的路易士鹼形成穩定的錯合物，過程中可由生成錯合物時放出熱能的大小判斷路易士酸的相對強度，其結果如下：
(最強) $$\mathrm{BBr_3>BCl_3>BF_3}$$
此趨勢主要歸因為 $$\Pi$$ 鍵使三鹵化物會從平面三角形慢慢轉變成四面體構型，其傾向程度如下，但利用 $$\Pi$$ 鍵相對強度判斷是不準確的。
(最易形成四面體) $$\mathrm{BBr_3<BCl_3<BF_3}$$
另一個假設是相較於氯原子、溴原子，氟原子是很小的，而氟的孤對電子在 $$Pz$$ 軌域中容易與硼的 $$Pz$$ 軌域重疊，因此三氟化硼的Π鍵回饋能力較三溴化硼好，相對較容易維持平面三角形的結構。
三氟化硼遇水會進行部分水解作用，石蕊試紙成紅色（酸性），生成氟硼酸與硼酸，最後失去氟化氫，可對玻璃進行腐蝕作用，由於氟硼酸酸性極強，常用氟硼酸根離子分離一些難以分離的親電性陽離子（eletrophilic cation），尤其是重氮根離子（diazonium ion）。
$$\mathrm{4BF_3+3H_2O\longrightarrow 3HBF_4+H_3BO_3}$$
而其他三鹵化硼化合物不會發生此種反應，很可能是因為四面體形式 $$\mathrm{BX^-}(\text{X=Cl,Br})$$ 無法穩定存在。
三氟化硼主要用作有機反應的催化劑，如聚合反應、烴化、硝化、磺化、酯化反應，可製備鹵化硼、硼烷、硼氫化納、元素硼。高純度的三氟化硼既是電子、光纖工業中重要的原料之一，亦是半導體工藝中的重要摻雜物3,4。而在焊接鎂金屬材料時，三氟化硼可避免鎂金屬與其合金在熔融鑄造時發生氧化作用，亦可作為鋼材或其他金屬表面硼化處理劑的成分，同時作為鑄鋼時的潤滑劑。
參考資料：
- 三氟化硼 http://en.wikipedia.org/wiki/Boron_trifluoride
- Carey, F. A. and Sundberg, R. J. (2007). Advanced Organic Chemistry Part B:Reaction and Synthesis (5th ed.). New York: Springer Science+Business Media, LLC.
- Wade, L. G. Jr. (2006). Organic Chemistry (6th ed.). New York: Pearson Education, Inc.
- 百度百科－三氟化硼 http://baike.baidu.com/view/139431.htm
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