碳－氟键

碳氟键是碳和氟之间的极性共价键，是所有有机氟化合物的组成部分。 它是化学中xxx的单键之一（仅次于 B-F 单键、Si-F 单键和 H-F 单键），并且由于其部分离子特性而相对较短。 随着更多的氟被添加到化合物上的相同碳上，键也会加强和缩短。 因此，四氟甲烷（四氟化碳）等氟代烷烃是最不活泼的有机化合物之一。

氟的高电负性（氟为 4.0，碳为 2.5）赋予碳氟键显着的极性或偶极矩。 电子密度集中在氟周围，使碳相对缺乏电子。 这通过部分电荷 (Cδ+—Fδ−) 将离子特性引入键中。 氟和碳上的部分电荷很有吸引力，有助于碳氟键的不寻常的键强度。 该键被标记为有机化学中xxx的键，因为氟与碳形成xxx的单键。 碳－氢键的键离解能 (BDE) 高达 130 kcal/mol。 C-F的BDE（键的强度）高于其他碳-卤素和碳-氢键。 例如，对于 X = 氟、氢、氯、溴和碘，CH3–X 分子中 C–X 键的 BDE 分别为 115、104.9、83.7、72.1 和 57.6 kcal/mol。

碳氟键长通常约为 1.35 Ångström（在氟甲烷中为 1.39 Å）。 它比任何其他碳-卤键都短，也比单个碳-氮键和碳-氧键短。 键的短长度也可归因于键的离子特性（碳和氟部分电荷之间的静电吸引力）。 碳-氟键长的变化幅度为百分之几埃，具体取决于碳原子的杂化以及碳上或什至更远的原子中其他取代基的存在。 这些波动可用作细微杂交变化和立体电子相互作用的指示。 下表显示了平均键长在不同的键合环境中如何变化（碳原子是 sp3 杂化的，除非另有说明用于 sp2 或芳族碳）。

对于氟和其他元素之间的键，还观察到由于其部分离子特性导致的键长可变性和氟键缩短，并且一直是选择合适的氟共价半径值的困难来源。 Linus Pauling 最初建议 64 pm，但该值最终被 72 pm 取代，这是氟-氟键长的一半。 然而，72 pm 太长而不能代表氟和其他元素之间的键长，因此其他作者建议使用 54 pm 和 60 pm 之间的值。

随着同一（孪生）碳上氟原子数量的增加，其他键变得更强和更短。 这可以从氟甲烷系列的键长和强度 (BDE) 的变化看出，如下表所示； 此外，原子上的部分电荷（qC 和 qF）在系列内发生变化。 随着氟的加入，碳上的部分电荷变得更正，从而增加了氟和碳之间的静电相互作用和离子特性。

当两个氟原子位于邻位（即相邻）碳原子时，如 1,2-二氟乙烷 (H2FCCFH2)，左旋构象异构体比反构象异构体更稳定——这与通常预期的相反 观察到大多数 1,2-二取代乙烷； 这种现象被称为扭结效应。 在 1,2-二氟乙烷中，左旋构象在气相中比反构象稳定 2.4 至 3.4 kJ/mole。

然而，这种效应并不是卤素氟独有的。 1,2-二甲氧基乙烷也观察到扭结效应。 一个相关的效应是烯烃顺式效应。 例如，1,2-二氟乙烯的顺式异构体比反式异构体更稳定。

对扭曲效应有两种主要解释：超共轭和弯曲键。 在超共轭模型中，碳氢σ键轨道向碳氟σ*反键轨道提供的电子密度被认为是左旋异构体稳定的来源。 由于氟的电负性更大，碳-氢 σ 轨道是比碳-氟 σ 轨道更好的电子供体，而碳-氟 σ* 轨道是比碳-氢 σ* 轨道更好的电子受体。 只有 gauche 构象允许更好的供体和更好的受体之间的良好重叠。