Важный компонент зубной пасты: какой галоген помогает против кариеса

В состав зубной пасты обычно входит фтор, который является галогеном. Этот элемент не только помогает бороться с кариесом, но и укрепляет зубную эмаль, защищая её от разрушения.

Следующие разделы статьи погрузят вас в мир состава зубных паст, расскажут о действии галогенов, поделятся секретами правильного выбора пасты для ухода за зубами и многое другое. Узнайте, какие компоненты делают вашу улыбку еще более здоровой и красивой!

Галоген в составе зубной пасты

Доброго времени суток! Приветствую всех уважаемых дам и господ! Наконец-то наступила пятница, а значит, на экране капитал-шоу «Поле чудес»! Как всегда, я представляю тройку сегодняшних игроков, под звонкий аплодисмент зрителей. Итак, время определить задание на этот этап:

Вопрос: Какой галоген содержится в зубной пасте (слово из 4 букв)

Ответ: Фтор (4 буквы) Если этот ответ не подходит, Вам стоит воспользоваться формой поиска. Мы постараемся помочь Вам найти в огромном количестве формулировок по 141 989 словам!

В поисках мельчайшего количества фтора

Фтор — девятый элемент периодической таблицы Менделеева. Он относится к группе галогенов, вместе с хлором, бромом, йодом и астатом. Галогены являются сильными окислителями и фтор среди них самый агрессивный. Его можно встретить в природе только в виде соединений. Фтор взаимодействует с другими элементами с выделением тепла и даже может вызвать взрыв.

Химикам со всего мира потребовалось много лет и упорных усилий, чтобы получить чистый фтор. Впервые это удалось Карлу Вильгельму Шееле.

Сейчас Анри Муассан проводит эксперимент по получению фтора в своей лаборатории. Он создал аппарат с двумя электродами из платины (катодом и анодом), расположенными в U-образной трубке, в которую залита смесь HF и KF. Прибор помещен в сосуд для охлаждения. При пропускании тока на аноде выделяется фтор, а на катоде — водород.

Под действием криогенных температур (ниже 120 К, или –153°С) фтор переходит в жёлтую жидкость и, в свою очередь, при обычных условиях превращается в бесцветный газ. При большой толщине слоя этот вещество приобретает зеленовато-жёлтый оттенок.

Луи Жак Тенар, Жозеф Луи Гей-Люссак и Андре-Мари Ампер изучали свойства фтора.

В 1771 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742-1786) сделал первый шаг в открытии фтора. Он известен своими открытиями молибдена, бария, хлора, а также определением кислорода и азота в составе воздуха, а также разработкой технологии производства фосфора. В ходе исследования свойств плавикового шпата, Шееле установил, что взаимодействие этого минерала с серной кислотой приводит к выделению очень активного вещества, которое способно разъедать все объекты, с которыми контактирует, включая стенки стеклянных лабораторных колб. В результате своих экспериментов Шееле пришёл к выводу, что полученное соединение является кислотой, впоследствии названной им "плавиковой", в честь минерала, из которого он её получал.

Двум французским химикам, Жозефу Луи Гей-Люссаку и Луи Жаку Тенару удалось выделить плавиковую кислоту в чистом виде в 1810 году. Их эксперимент заключался в перегонке плавикового шпата с серной кислотой в свинцовой или серебряной реторте. Однако во время проведения эксперимента оба ученых получили серьезные ожоги и отравления.

Их не было известно, что плавиковая, также известная как фтороводородная, кислота содержит неизвестный химический элемент — фтор. Ни они, ни Шееле даже не подозревали о таком элементе. Элемент фтор в свободном виде был получен только спустя 76 лет.

Первые жертвы отравления фтором стали два члена Ирландской академии наук — братья Томас и Георг Нокс. Томас погиб от отравления фтороводородом, а Георг стал инвалидом. Большой список пострадавших пополнили химики других стран — бельгийский Полин Лайет, первооткрыватель веселящего газа Гемфри Дэви, французские Джером Никлес, Эдмонд Фреми, Антуан Лавуазье, а также английский электрохимик Георг Гор и многие другие.

В связи с этими трагическими событиями французский физик и математик Андре-Мари Ампер придумал название для этого нового элемента — "фтор" (от греческого "φθόΩος" — разрушение, порча, вред). Именно такой термин стал употребляться среди русских химиков, однако в других странах было принято называть этот элемент "флюор".

Завоевать непокорный элемент смог замечательный экспериментатор — Анри Муассан, известный французский химик, живший в XIX веке (1852-1907). Родившись в Тулузе, он вырос в небогатой семье, но уже с детства проявлял склонность к науке. Несмотря на это, долгое время он не принимал её всерьез, так как считал, что это не принесет ему дохода, и мечтал открыть свою небольшую фабрику в промышленности.

После окончания пятилетки в гимназии французского городка Мо в 1870 году, Муассан не смог пройти необходимый для поступления в университет "университетский класс" и покинул гимназию. Затем он переехал в Париж, где смог устроиться работать в аптеке. Вскоре у него появился шанс проявить свои способности.

Однажды в аптеке появился взволнованный человек, заявивший, что случайно проглотил мышьяк. Аптекарь ответил, что ничем не может помочь, но Анри предложил использовать тартратусэметикус — препарат, который вызывает рвоту. Благодаря этому средству пациент был спасен.

Этот случай вдохновил Анри на изучение химии. Он работал в лаборатории Эдмона Фреми, где начал интересоваться фтором. Узнав, что элемент реагирует с любым веществом, с которым вступает в контакт, Анри начал изучать свойства веществ, содержащих фтор. Однако вскоре его привлек профессор Высшей политехнической школы в Париже Пьер Поль Дихерен.

Муассан завершил обучение в Сорбонне к тому времени, когда он начал изучать физиологию растений у Дихерена. Только через десять лет в середине 1880-х годов он смог вернуться к своим исследованиям по фтору, после того как получил место в аналитической лаборатории своего родного города Мо.

Первоначально Муассан использовал смесь фторида свинца (PbF2) и фосфида меди (Cu3P) в попытке получить чистый фтор. Однако, в результате этой реакции он получил фторид фосфора, которая на сегодняшний день не рекомендуется использовать из-за ее низкой эффективности. Муассан полагал, что при наличии кислорода при нагревании фторида фосфора, должен образовываться оксид фосфора, а фтор должен выделяться в свободном виде.

Для выполнения эксперимента необходимо было подобрать подходящие условия. Анри разместил губчатую платину в U-образной трубке и нагрел ее. Затем он пропустил фторид фосфора через трубку. В результате трубка сильно нагрелась, но выпуска фтора не произошло. По прошествии времени трубка разорвалась, что свидетельствовало о неудаче эксперимента.

Муассан провел целую серию подобных экспериментов и пришел к выводу, что если фтор выделяется в свободном состоянии, то реакционная способность повышается при нагревании. Однако химик решил попробовать получить фтор без нагревания и даже с охлаждением. Для этого он использовал электролиз — процесс, при котором через ячейку, содержащую растворенное вещество, проходит электрический ток, в результате которого на электродах выделяются компоненты раствора.

Анри Муассан решил провести электролиз жидкого фторида, и его выбор пал на фторид мышьяка (AsF3). Однако данное соединение не проводит электрического тока, что мешало осуществлению электролиза. Чтобы решить эту проблему, он добавил фторид калия (KF) к фториду мышьяка, и эта смесь оказалась хорошо проводящей электрический ток.

Но потом возникла новая проблема: катод быстро покрывался слоем, выделяющегося мышьяка, что препятствовало прохождению тока через ячейку. Чтобы решить эту проблему, Муассан начал использовать фтороводород (HF), который при охлаждении легко превращается в жидкость. Для улучшения проводимости, он добавил к нему фторид калия.

Эксперимент Муассана начался 26 июня 1886 года. Ученый поместил смесь в платиновую U-образную трубку и охладил ее до -50°C. Затем он пропустил через нее электрический ток. На аноде ничего не появилось. Однако, когда Муассан достал пробку, закрывавшую анодный отсек, он заметил белый налет, и сообразил, что фтор ее разъедает.

Конечно же, это означало, что фтор можно получить электролизом. Оставалось найти материал для анода, который фтор не мог бы окислить. Муассан выбрал флюорит (CaF2) и после следующего эксперимента начал выделяться пузырьки заветного газа. Ученый был вне себя от радости.

После неудачной первой демонстрации своего эксперимента перед комиссией Французской академии наук — фтороводородная кислота, использованная в предыдущих экспериментах, содержала низкую дозу фторида калия, и электрический ток не протекал — Муассан продемонстрировал свой опыт успешно. Многопрофильные эксперты признали его выдающимся достижением, за которое Муассан был удостоен премии в десять тысяч франков — высшей награды академии. В том же году он получил должность профессора токсикологии в Высшей фармацевтической школе. В 1896 и 1902 годах он был избран президентом Французского химического общества. В 1900 году Муассан был удостоен ордена Почетного легиона, а вскоре стал членом Французской академии наук, иностранным членом Петербургской академии наук, Лондонского Королевского общества, Британского химического общества и многих других уважаемых организаций.

Нобелевская премия по химии в 1906 году была вручена Анри Муассану за создание электрической печи и получение элемента фтора, который изучал с великим мастерством экспериментатора. Церемония награждения была знаменательной, ведь учёный был единственным представителем Франции, получившим престижную награду. В своей речи представитель Нобелевского комитета отметил, что Муассан претворил в жизнь мощный импульс миру технологии, который ещё не реализован в полной мере.

Однако вскоре после церемонии Муассан скончался, и причина его смерти остаётся загадкой. С одной стороны, учёный страдал от острого аппендицита, что могло стать основной причиной. С другой стороны, не исключается, что эксперименты с фтором, ради которого Муассан шёл на подвиг и даже на смерть, стали для него фатальными.

Реактивный газ фтор (F2) имеет бледно-жёлтый цвет и характерный запах, напоминающий аромат озона или хлора.

Фторапатит Ca5(PO4)3F, входящий в состав эмали зубов, объясняет применение соединений фтора в зубных пастах.

Фториды неметаллов чаще всего используются в космо- и авиационной отраслях для создания ракетного топлива и в ядерной энергетике для изотопного разделения урана.

Помимо этого, соединения фтора широко применяются для производства оптических стёкол и покрытий из тефлона, а также для создания газообразных изоляторов в электротехнике.

Фторопласты, содержащие фтор, отличаются превосходными электрическими свойствами, высокой прочностью, устойчивость к воздействию агрессивных сред и другим уникальным свойствам. Из них могут производиться трубы, шланги, теплообменники, контейнеры, лабораторная посуда, протезы и множество других изделий.

Комментарии к статье

* Флюорит, также известный как плавиковый шпат (CaF2), произошел от латинского глагола fluo — течь. Издавна флюорит использовался в качестве примеси для металлических руд, чтобы понизить их температуру плавления.

Важно различать фтор и фториды

Существует мнение, что важность фтора в профилактике кариеса не имеет подтверждения из-за отсутствия понимания свойств и происхождения этого элемента. Чистый фтор известен как ядовитый газ, который может навредить человеческому организму. Однако, фтор содержится во многих продуктах в виде солей фторида натрия, которые являются полезными соединениями и присутствуют в воде и грунте. Сравнивать фтор с его солями подобно сравнению хлора и хлорида натрия — обычной поваренной соли, что утратит всякий смысл.

Доказанная эффективность фторидов для устранения кариеса

За более чем 80 лет изучения влияния фторидов на организм человека, их эффективность в борьбе с кариесом зубов была доказана. Проведенные более чем 370 клинических исследований с участием более 130 000 человек подтвердили пользу зубных паст со включением фтора. Фториды в зубной пасте обеспечивают хороший результат в профилактике кариеса зубов.

Это утверждение поддерживает решение ВОЗ добавить стоматологические препараты на основе фторидов в перечень основных лекарственных средств. Перечень содержит наиболее эффективные и безопасные препараты, прошедшие проверку и признанные доступными для всех категорий населения.

Преимущества зубных паст с фторидами еще раз подтверждаются следующими фактами:

Европейская академия детской стоматологии (EAPD) заявила, что широкое использование зубных паст с фтором было главной причиной снижения количества кариеса за последние 40 лет.

Все зубные пасты с знаком соответствия ADA (Американская ассоциация стоматологов) обязаны содержать фтор.

Какое количество фтора считается безопасным?

• Газовая хроматография;
• Ионная хроматография;
• Спектрофотометрический анализ;
• Потенциометрический метод с использованием фтор-селективного электрода;
• ЯМР-метод.

Для определения уровня содержания фтора в зубной пасте используют анализаторы галогенов. Аналитическая система для ионной хроматографии позволяет точно измерить концентрации любых галогенов и серы в образцах. Данная система состоит из ионного хроматографа и автоматической печи модели AQF-100 / AQF-2100H, разработанной компанией Mitsubishi Chemical Analytech.

Установка оборудована автоподатчиком для загрузки образца, пиролитической трубкой и нагреваемой печью, которые позволяют определить концентрации фторидов в зубных пастах, действуя эффективно на образцы до их летучих компонентов. Образующиеся газы, содержащие фториды, попадают в специальную ловушку абсорбционным раствором, после чего анализируются на ионном хроматографе. Такой метод анализа обеспечивает получение наиболее достоверных результатов измерения уровня содержания фтора в исследуемом образце.

Преимущества зубной пасты с фтором в профилактике кариеса

В настоящее время идет бурная дискуссия по поводу использования фторидов в стоматологии. Вопросы: когда они необходимы, какой возрастной дозировкой следует пользоваться, безопасно ли глотать зубную пасту с фторидом, и какие виды фторидов существуют? Важно рассмотреть все аспекты этого вопроса.

Фториды — это название нескольких соединений, содержащих ионы фтора, которые играют жизненно важную роль в защите от кариеса. В отличие от токсичного газообразного фтора, фториды безопасны для здоровья и помогают предотвратить развитие кариеса.

В стоматологии используют несколько видов фторидов: аминофторид (олафлур), фторид натрия, фторид алюминия, монофторфосфат натрия, фторид олова.

Фториды, которые есть в зубных пастах и ополаскивателях для полости рта, выполняют несколько важных функций:

• Защищают зубную эмаль, способствуя её реминерализации и восстановлению минерального баланса. Фториды удерживают кальций на поверхности зуба и создают кальциевое "депо".
• Снижают количество бактерий в ротовой полости, тем самым предотвращая появление и развитие кариеса. Фториды способствуют уменьшению кислотности во рту и поддержанию её на оптимальном уровне.
• Уменьшают скорость образования мягких зубных налетов, сохраняя гладкость эмали и свежее дыхание.

Производители средств гигиены полости рта начали добавлять фториды в состав своих средств, что привело к многократному снижению уровня заболеваемости кариесом во всем мире.

Наиболее эффективным способом профилактики кариеса на сегодняшний день является сочетание аминофторида и фторида натрия, а на втором и третьем местах соответственно — аминофторид (олафлур) и фторид натрия. Эти средства дольше всего удерживают ионы кальция на поверхности эмали (аминофторид – до 2-х часов, фторид натрия – 15-20 минут).

Для детей младше 6 лет рекомендуется использовать зубные пасты с содержанием 1000ppm фторида, а для детей старше 6 лет – 1500ppm.

Чтобы сохранить здоровье зубов ребенка, необходима ежедневная чистка зубов два раза в день по 2-3 минуты после завтрака и перед сном. Для детей в возрасте от рождения до 2-х лет достаточно использовать зубную пасту размером с рисовое зернышко, а для детей старше 2-х лет – размером с горошину.

Использование ополаскивателя, содержащего фториды, играет важную и недооцененную роль в профилактике кариеса. Фториды быстрее проникают в слюну и закрепляются на поверхности зубов после очищения щеткой. Рекомендуется использовать ополаскиватель после вечерней чистки зубов для эффективной защиты.

В некоторых регионах количество фторидов в питьевой воде превышает норму. Чтобы избежать негативного воздействия на организм, рекомендуется перейти на бутилированную воду для питья и приготовления пищи. Но использование фторидсодержащих зубных паст и ополаскивателей остается важным ежедневным ритуалом.

Преимущества фтора

1. Фтор препятствует образованию зубного камня и разрушению зубов.
2. Фтор помогает разлагать углеводы, которые вырабатывают кислоты, разрушающие эмаль зубов.
3. Фтор образует соединение фторапатит, которое улучшает проницаемость эмали и делает ее более устойчивой к воздействию кислот.
4. Фтор препятствует росту микробов в полости рта.
5. Фтор взаимодействует с ионами кальция, делая зубы плотнее и укрепляя зубную ткань.
6. Избыток фтора может привести к флюорозу и сделать зубы крапчатыми, уменьшить их гибкость и эластичность, а также сделать их более ломкими.
7. Слишком много фторида натрия в зубной пасте и геле может быть вредно для нервной и кровеносной систем. Людям с проблемами почек или диабетом рекомендуется использовать специальные пасты и гели по рекомендации врача и не превышать рекомендованную дозу.
8. Избыток фтора негативно влияет на функционирование щитовидной железы, что может вызвать снижение иммунитета и повышенную уязвимость к различным заболеваниям.
9. Симптомами эксцесса фтора могут стать повышенная утомляемость, сухость и бледность кожи.

Как заполнить недостаток фтора в организме?

Фтор является необходимым элементом для человеческого организма, который содержится в клетках. Чтобы поддерживать баланс этого вещества, важно употреблять различные источники фтора. Чтобы восполнить недостаток фтора, можно использовать фторированную воду, зубные пасты, гели и медицинские препараты для профилактики кариеса. Стоматологические процедуры также эффективно восполняют недостаток фтора в эмали зубов. Обязательно проконсультируйтесь со специалистом, чтобы правильно подобрать форму и дозировку необходимого препарата.

Чтобы связаться с нами в Дзене, перейдите на страницу статьи

Никакое копирование не даст результатов, так как все статьи защищены авторским правом и зарегистрированы как уникальный контент в Яндексе.

• Категория публикации: Прочие статьи

Возможно, вам будет интересно

Как вреден сахар для здоровья ротовой полости?

12 апреля 2018 года

11 средств для достижения белоснежной улыбки

12 апреля, 2018

Связь между различными заболеваниями и плохим состоянием полости рта

29 марта, 2024

Различные процедуры эстетической стоматологии

30 июня, 2019

Понимание патологической стираемости зубов

11 мая, 2022

Влияние иммунной системы на процесс разрушения зубов

Вещества, повышающие эффективность зубных паст

• Соединения фтора,
• Кальциевые соединения,
• Фосфаты,
• Комплексы микро- и макроэлементов,
• Препараты противовоспалительного действия,
• Средства для кровоостановления,
• Биологически активные элементы,
• Ферменты,
• Препараты с антибактериальным действием,
• Минеральные соли,
• Ингибиторы кристаллизации,
• Соединения, уменьшающие чувствительность зубной эмали.

Соединения фтора

Изучение эффекта фторсодержащих веществ на здоровье человека началось с середины XIX века. В результате серьезных научных исследований, проведенных в период с 1916 по 1942 гг., было доказано, что флуориды способны уменьшать частоту возникновения кариеса и предотвращать его проявление.

В 1931 году три различные группы исследователей сделали открытие, что причиной крапчатости зубов является большое количество фтора в питьевой воде. В это же время Т. Дин провел исследование и заметил, что с увеличением крапчатости зубов уровень кариеса снижается.

Исходя из этих данных было предложено увеличение содержания фторида в питьевой воде для снижения риска развития кариеса. В 1939 году Волкер обнаружил, что после обработки эмали раствором фторида натрия ее растворимость в кислоте уменьшается. После этого было проведено первое испытание применения фторидов.

В результате было доказано, что повторное нанесение фторидов натрия или калия на зубы детей снижает риск развития кариеса. С 1945 года начались попытки добавить фторсодержащие вещества в состав зубных паст и доказать их эффективность с помощью клинических исследований. Из-за химической активности фторида натрия он был включен в зубные пасты в качестве антикариозного компонента. Первые исследования не доказали эффективности паст с фторидами, но впоследствии было выяснено, что это связано с несовместимостью фторида натрия с абразивным материалом, который использовался в пастах того времени.

В современном мире наиболее распространенным средством профилактики кариеса зубов являются зубные пасты, содержащие фториды. Это подтверждается тем, что во многих странах до 95% всех продаваемых зубных паст содержат фтор. В некоторых странах (например, в Голландии) даже запрещено продавать пасты без фтора. За последние 20 лет в большинстве промышленно развитых стран заболеваемость кариесом зубов снизилась благодаря широкому распространению зубных паст с фторидами.

Механизм местного противокариозного действия фтора до конца неизвестен

При регулярном применении зубных паст с фторидами на поверхности эмали образуются микрокристаллы фторида кальция, которые затем покрываются фосфатом кальция и белками из слюны. Точный механизм этого процесса до сих пор не изучен полностью.

Фтор, которым насыщена зубная паста, оказывает свое благотворное воздействие не только в момент контакта с зубами, но и при накоплении в зубном налете, который компенсирует недостаточную чистку поверхности зубов. Концентрация фтора в зубных пастах должна быть оптимальной. По исследованиям, наиболее эффективным сочетанием является концентрация ионов фтора от 500 до 2500 ч/млн (ррт).

Согласно проведенным исследованиям, профилактический эффект от кариеса увеличивается на 6% при добавлении еще 500 ч/млн фторидов сверх 1000 ч/млн фторидов. Однако, эффективность зубных паст, содержащих менее 500 ч/млн фторидов, не установлена. В 1977 году Европейская комиссия установила максимальный порог содержания фторидов в зубных пастах, доступных для свободной продажи, равный 1500 ч/млн.

Чтобы избежать непреднамеренного проглатывания зубной пасты, количество фтора, добавляемого в ее состав, умеренно ограничивается. У детей в возрасте от 3 до 4 лет неизбежно происходит проглатывание до 30% зубной пасты, и это может вызвать развитие флюороза. В связи с этим не рекомендуется использовать зубные пасты, содержащие фтор, для детей в возрасте до 3 лет, а использование фторсодержащих зубных паст рекомендуется лишь при непосредственном контроле со стороны родителей. Однако за 20 лет опыта использования фторсодержащих зубных паст у детей в Скандинавии случаев развития флюороза не зарегистрировано.

Состав и применение зубных паст с содержанием фтор соединений

Одним из самых первых фторсодержащих агентов в зубной пасте является фторид олова, который является основным компонентом системы SnF2 — Crest с Fluoristan (Procter & Gamble). Эта паста была одобрена Американской ассоциацией стоматологов (ADA) как средство для профилактики кариеса.

Кроме фторида олова, в составе зубных паст также используются другие фтористые соединения, такие как фтористый калий, фторцирконий, тетрафтор титан, цинксодержащие фториды, фторсиликат магния, фтористый магний, натриевая соль фтористого олова, фторметаллит алюминия, аминофторид серебра, фторфенилгуанидогексан, фторгидрат никотиновой кислоты, цетиламиногидрофторид, фторинол — фторгидрат никометанола, который хорошо фиксируется на зубах. Возможно использование пыли зеленого чая в качестве естественного источника фтора в зубной пасте.

В настоящее время наиболее распространенными являются следующие компоненты зубных паст:

— натрия фторид,

— натрия монофторфосфат,

— аминофториды.

• Все вышеперечисленные вещества обладают отличной растворимостью, легко ионизируются, стабильны в воде и не окрашивают области зубов, страдающих от деминерализации эмали.
• Препараты на основе фтора способны взаимодействовать с другими компонентами зубных паст. Это может привести к образованию сложно растворимого соединения и потере активности фтора, то есть его способности ионизироваться. В связи с этим, фториды часто добавляются в гигиенические зубные средства вместе со стабилизаторами, которые имеют более высокую способность реагировать с компонентами зубных паст и предотвращать необратимую фиксацию фтора (например, фитиновая кислота и ее соли, лимонная кислота и ее соли, моно-, ди- и трикарбоновые кислоты, фосфат магния, сульфатированные полимеры, хлористый стронций, салицилат цинка).
• Ферменты, такие как лизоцим, декстраназа и мутаназа, хорошо взаимодействуют с фторидами.
• Натрия хлорид усиливает активность введенного фтора.
• Фторсодержащие зубные пасты особенно эффективны при применении у лиц (особенно у детей), страдающих от декомпенсированных форм кариеса, с областями деминерализации эмали зубов, поражениями твердых тканей зубов некариозного происхождения. Они также рекомендуются при незавершенном вторичном минерализации (сразу после прорезывания зубов), больших неминерализованных отложений зубного налета и наличии общих и местных факторов, способствующих развитию кариеса.

Фтор: двуличный элемент в химии

Мое желание поделиться интересной информацией о фторе и его органических соединениях, а также показать, как введение этого элемента в молекулу меняет ее свойства, побудило меня написать эту заметку. Наша научная группа убеждена, что каждый раз, когда мы разрабатываем методы сборки фторированных азотсодержащих гетероциклов, мы открываем новые и неожиданные реакции.

Фтор больше всего напоминает древнеримского бога Януса, имеющего два лица. Этот элемент обладает уникальной способностью реагировать со многими другими элементами, но в то же время его соединения обладают высокой химической стойкостью.

Находящийся на 17-й позиции таблицы элементов, фтор является самым распространенным галогеном в земной коре, хотя был получен индивидуально последним (за исключением радиоактивного астата и теннессина). Как наиболее электроотрицательный элемент, его влияние на свойства молекулы может быть достаточно прогнозируемым, однако он до сих пор способен преподносить ученым неожиданные сюрпризы.

Фтор является одновременно и жизненно необходимым для человека элементом, и весьма ядовитым веществом. Его греческое имя φθόριος переводится как "разрушающий", но более распространено латинское название fluorum, означающее "течущий". Таким образом, вопрос, является ли фтор разрушителем или созидателем, остается открытым.

Анри Муассан, нобелевский лауреат по химии, был первым, кто смог выделить фтор. В процессе истории химии этого элемента многие ученые столкнулись с драматическими исходами, вплоть до потери здоровья и жизни. Среди них были такие знаменитые химики, как Карл Вильгельм Шееле из Швеции, Хэмфри Дэви и Джордж Гор из Англии, Андре-Мари Ампер, Жозеф-Луи Гей-Люссак, Луи Жак Тенар, Эдмон Фреми и Джером Никлес из Франции, Полен Луе из Бельгии, и братья Томас и Джордж Нокс из Ирландии. Но только Анри Муассан смог укротить этого химического дракона.

В 1880 году Муассан защитил свое диссертационное исследование, в котором он суммировал результаты изучения окислов железа и хрома. Но вскоре он изменил направление своих исследований и принялся решать проблему выделения фтора. По воспоминаниям современников, его научные амбиции всегда были огромными.

Казалось, молодой ученый был готов бросить вызов любой опасности, стремясь постигнуть неизведанное. И он добился успеха: 26 июня 1886 года, с помощью электролиза безводного фтороводорода с фторидом калия, он впервые смог выделить фтор, что, по мнению Эдмона Фреми, "является одним из самых важных открытий в неорганической химии, которое может иметь для науки неизмеримые последствия". Через два дня об успехе Анри Муассана было сообщено на заседании Академии наук, и он сам представил краткое сообщение, осторожно озаглавленное "Действие электрического тока на безводную фтористоводородную кислоту". Вероятно, такая неопределенность Муассана связана с неудачами его предшественников, которые пытались получить фтор: "Позвольте мне не делать окончательных выводов о действии тока на фтористоводородную кислоту; сегодня я только сообщаю о первых результатах; я продолжаю эти исследования и надеюсь вскоре представить новые эксперименты в этой области на суд Академии. Мы можем формулировать разные гипотезы о природе полученного газа; наиболее логично полагать, что это фтор."

В лаборатории Фармацевтической школы в Париже Анри Муассан получал фтор. Он фиксировал в мгновенной фотографии момент, когда вспышка порошка заполонила комнату, как описано в статье de G. Tissandier // La Nature, 875, 22 февраля 1890 года, стр. 177.

Для проверки своей гипотезы Академия наук назначила комиссию, в которую вошли известные химики Марселен Бертло, Анри Дебре и Эдмон Фреми. Муассан тщательно готовился к контрольному эксперименту, специально получив чистый фтороводород без воды, что было непросто. Сам ученый описал этот процесс:

Для получения безвредной фтористоводородной кислоты необходимо начать с создания гидрофторида калия (KHF2 — А. Р.) в соответствии с рекомендациями г-на Фреми. После изготовления чистой соли ее высыхают на водяной бане при температуре в 100 °C.

Затем содержащая ее платиновая чашка помещается в вакуумный эксикатор вместе с концентрированной серной кислотой и несколькими кристаллами плавленого гидроксида калия в серебряном тигле. Каждые 15 дней кислоту и едкий калий заменяются, а вакуум поддерживается на уровне около 2 мм ртутного столба. Во время сушки соль должна ежедневно размалываться в железном ступке, чтобы обновить поверхностный слой. После высыхания гидрофторид калия становится порошком, который может использоваться для получения фтористоводородной кислоты.

Несмотря на проделанную работу, эксперимент окончился неудачей: газ не был извлечен. Ученый быстро понял, почему это произошло — без добавления фторида калия, который легко растворяется в HF, электролиз безводного фтороводорода не мог произойти из-за его низкой электропроводности. Вернувшись к изначальному способу проведения эксперимента, Муассан, при наличии комиссии, получил желаемый газ, что было заявлено Академии наук 19 июля 1886 года. Однако только после третьего сообщения "Новые эксперименты по разложению фтороводородной кислоты электрическим током" от 26 июля 1886 года он уверенно заключил, что газ, выделяющийся при электролизе безводного фтороводорода, это фтор. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию по химии в 1906 году.

Снимок обложки журнала Comptes Rendu с первым отчетом Анри Муассана о выделении фтора. Картинка предоставлена сайтом biodiversitylibrary.org

По словам Анри Муассана, который позже написал книгу под названием "Фтор и его соединения", он и его коллеги неоднократно убеждались во время долгой работы, насколько далеко от завершения находится исследование соединений фтора. Они имели мало знаний о фторидах металлоидов (это устаревшее название элементов, которые располагаются на границе между металлами и неметаллами), практически ничего не знали о фторидах металлов, и их знания об органических соединениях фтора были очень ограничены.

Вопрос о практическом применении фтора был задан во время лекции, прочитанной спикером в Королевском институте Великобритании в мае 1897 года. Он заметил, что трудно дать однозначный ответ на этот вопрос и признал, что сам не очень задумывался над этим во время своих исследований.

Необычайно, что спустя почти сорок лет после выступления Муассана возникли сомнения в возможности использования фтора и его соединений. В 1934 году в 25-м томе Технической энциклопедии утверждалось, что "вследствие трудностей в получении и хранении фтор не нашел практического применения".

Однако в настоящее время органическая химия фторсодержащих соединений является одной из привлекательных областей исследований химиков по всему миру. Стоит отметить, что соединения, содержащие связь углерод-фтор, встречаются редко в природе — на данный момент известно не более тридцати таких веществ. Среди них — фторуксусная кислота и ее производные, выделенные из растений Южной Африки; фторацетон, содержащийся в низкорослых деревьях Acacia georginae, растущих в Австралии; производные 5-фторурацила, известные противоопухолевые препараты, выделенные из губки Phakellia fusca, собранной в Южно-Китайском море; и несколько фторсодержащих жирных кислот, например, ω-фторолеиновая, обнаруженных в масле семян кустарника Dichapetalum toxicarium, произрастающего в Сьерра-Леоне. Все эти природные органические соединения, содержащие фтор, являются чрезвычайно токсичными, а растения, бактерии и грибы, содержащие их, занимают верхние места в списке самых смертоносных на планете.

Фторорганические соединения содержат в своей молекуле связь между углеродом и фтором и являются чрезвычайно опасными для человека.

Несмотря на то, что природных соединений, содержащих фтор, встречается немного, они имеют огромное значение для человека. Например, количество синтетических фторорганических соединений уже превысило миллион, в то время как природных можно пересчитать по пальцам.

Таким образом, можно утверждать, что органическая химия этих соединений полностью создана человеком. Где же можно встретить продукты, содержащие фтор? Конечно, это может быть зубная паста или покрытия сковородок.

Несмотря на то, что содержащие фтор вещества — это не только аминофторид или монофторфосфат, используемые в зубных пастах и тефлоновых покрытиях, но и органические соединения, которые широко применяются для создания новых лекарственных препаратов и материалов с уникальными свойствами. Причем, хотя элементарный фтор считается токсичным веществом для живых существ, фторсодержащие препараты все чаще используются в медицине. Если лекарства с фтором составляли всего 2% от всех выпускаемых агрохимикатов и фармацевтических препаратов полвека назад, то сегодня уже треть всех молекул этих препаратов содержат этот элемент. На рынке появилось примерно 20% таких препаратов за первое десятилетие нового века.

Фторорганические соединения имеют широкое применение в медицине. Они полезны для предотвращения кариеса и изготовления различных биокерамических протезов, включая зубные имплантаты и ортопедические протезы. Кроме того, эти соединения применяются в лечении таких заболеваний, как малярия, сердечно-сосудистые, онкологические и многие другие. Некоторые из этих препаратов уже успешно используются на протяжении десятилетий.

Особое внимание медиков привлекло фторорганическое соединение, называемое 5-фторурацил, которое было синтезировано в середине 1950-х годов. Оно является производным пиримидиновых оснований, которые являются органическими азотсодержащими гетероциклами, входящими в состав нуклеиновых кислот. Это соединение проявляет свойства цитостатика и высокую антиметаболическую активность благодаря замене одного атома водорода на фтор в молекуле урацила.

Эффективное нестероидное противовоспалительное средство – целекоксиб, выпускается под торговой маркой Целебрекс и содержит фтор. С его появлением на рынке в декабре 1998 года, этот препарат стал широко распространенным. В нашей группе был разработан уникальный метод получения данного соединения и его аналогов, который был описан в августе 2017 года в рубрике "Очень важная статья" European Journal of Organic Chemistry.

Фторсодержащие препараты являются популярным средством в лечении разных заболеваний. Среди таких препаратов можно выделить 5-фторурацил, целекоксиб, флуоксетин, аторвастатин и ципрофлоксацин.

В 1996 году в Российской Федерации получил разрешение на медицинское применение и промышленное производство искусственный кровезаменитель Перфторан, являющийся эмульсией перфторуглеродов (производных углеводородов, в которых все атомы водорода заменены на фтор) в воде. Издание "Наука и жизнь" ранее рассказывало о драматической истории его создания (см. "Науку и жизнь" № 2, 1999 г., статья "Переливание крови: против, за и альтернатива").

Присутствие фтора в молекулах лекарств — таких как флуоксетин, широко используемый антидепрессант, аторвастатин в качестве гиполипидемического средства, ципрофлоксацин в качестве антибактериального препарата и другие — связывают со значительной активностью. Однако, почему фтор или фторсодержащие группы (чаще всего CF3) в молекуле вызывают такие изменения в физических, химических и биологических свойствах исходного соединения? Разработка новых лекарственных средств напрямую зависит от ответа на данный вопрос.

Радиус атома фтора составляет 1,47 Å, что несколько больше радиуса атома водорода (1,20 Å). Поскольку замена водорода на фтор может приводить к конформационным изменениям, взаимодействие лекарства с биомолекулой-мишенью может также измениться незначительно в объеме молекулы. Если изменяются кислотно-основные свойства и способность образовывать водородные связи, это может оказать влияние на биологические системы. Лекарственное средство должно обладать высокой гидрофильностью для лучшего усвоения организмом, но только липофильная молекула может преодолеть клеточную мембрану.

Заменяя водород на фтор, можно достичь модификации, которая находит компромисс между противоположными свойствами этих элементов. В результате экстремальной реакционной способности фтора образуется прочная связь с другим элементом.

Например, одинарная связь С—F имеет одно из высочайших значений энергии диссоциации (~480 кДж/моль; в то время как среднее значение этого параметра для связи С—H составляет ~420 кДж/моль). Это говорит о высокой устойчивости и химической инертности фторорганических соединений.

Кроме того, дополнительное введение фтора обеспечивает защиту молекулы от разложения, увеличивающего «выживаемость» лекарства в организме и продлевающего его лечебное действие. В результате можно сократить дозировку лекарственного препарата. Но в 2018 году исследователи из Техасского университета в Сан-Антонио (США) опубликовали ошеломляющие результаты: оказалось, что ферменты, синтезируемые в организме человека, способны расщеплять связь C—F в молекулах некоторых медикаментов. Это новое открытие может повлиять на стратегию разработки новых медикаментов.

Каждый год в мире синтезируют десятки тысяч новых фторорганических соединений, и химия органики фтора является неисчерпаемым источником научных исследований. Учёные из разных стран собираются на научных форумах, делятся опытом и обсуждают новые направления в этой удивительной области химии. Фтор, занимающий девятую позицию в таблице Менделеева, является загадочным элементом, изучение которого продолжается на протяжении многих лет. Несмотря на значительный прогресс в понимании свойств этого необычного элемента, многое остается неизвестным и таинственным.

* Липофильность (от греческого λιπος — ‘жир’ и φιλος — ‘дружественный’) — это способность химического соединения растворяться в жирах, маслах и других неполярных растворителях.