Trifluorure de bore

Les liaisons chimiques B-F sont des liaisons simples. Leur force (646 kJ/mol) est supérieure à celle de toutes les liaisons simples connues[9]. L'origine de cette force ne peut pas être interprétée par une forme de résonance qui mettrait en jeu le caractère donneur des doublets de l'atome de fluor. Son électronégativité (4) très supérieure à celle du bore (2) ne le permet pas. Deux interprétations complémentaires permettent de comprendre la très grande force de liaison.

Une première interprétation est d'ordre orbitalaire. Le système des quatre orbitales p_z (z axe perpendiculaire au plan de la molécule) donne lieu à des recouvrements qui stabilisent l'interaction B-F. Cela indique que cette liaison possède en fait un caractère de double liaison, ce qui justifie sa force.

Une seconde interprétation est due à l'examen simultané de la grande densité électronique entre B et F (la quantité de recouvrement des OA) et de la charge partielle exceptionnellement élevée portée par B (+2,58) et celle de F (-0,86). Ces valeurs ont été trouvées dans le cadre de la théorie AIM (Atoms in Molecules). Souvent, ces deux propriétés sont exclusives, le caractère ionique d'une liaison ne permettant pas un fort recouvrement orbitalaire. Dans le cas du triflurorure de bore, les deux sont simultanément importants, ce qui rend compte de la force importante de la liaison simple B-F[10].

La synthèse industrielle du trifluorure de bore met en jeu des composés facilement accessibles et peut de ce fait se réaliser à l'échelle des milliers de tonnes.

Na₂B₄O₇ + 6 CaF₂ + 8 H₂SO₄ → 2 NaHSO₄ + 6 CaSO₄ + 7 H₂O + 4 BF₃

Les réactifs sont en effet le borax (extrait directement du sol, c'est la source d'élément chimique bore), le flurorure de calcium (fluorite) également présent dans la nature, et l'acide sulfurique produit industriellement en grande quantité.

Au laboratoire, la synthèse de petite quantité de trifluorure de bore se fait par décomposition d'un sel de diazonium.

C₆H₅N₂BF₄ → C₆H₅F + N₂ + BF₃

Le caractère hypovalent du bore (il ne respecte pas la règle de l'octet) confère au trifluorure de bore un caractère d'acide de Lewis fort. Une partie importante de sa réactivité s'explique ainsi. Il peut facilement fixer une base de Lewis telle que les ions halogénures F⁻, Cl⁻, etc. les solvants oxygénés comme l'éther éthylique, etc.

Le trifluore de bore est ainsi commercialisé en solution dans l'éther sous forme de BF₃ éthérate OEt₂-BF₃. Le caractère d'acide de Lewis de BF₃ est alors fortement diminué car la fixation d'une base de Lewis doit être précédée du départ de l'éther.

L'hydrolyse est la destruction des liaisons B-F et à la formation de liaison B-OH. L'hydrolyse du trifluorure de bore conduit à l'acide borique B(OH)₃.

L'hydrolyse s'explique également avec la propriété d'acide de Lewis du trifluorure de bore. La première étape est la fixation par BF₃ d'une molécule d'eau.

BF₃ + H₂O → H₂O-BF₃

Le caractère attracteur de B active un hydrogène de l'eau ainsi fixée, ce qui conduit à

H₂O + H₂O-BF₃ → H₃O⁺ + HOBF₃⁻

puis

HOBF₃⁻ → HOBF₂

et une deuxième addition élimination peut intervenir.

L'alcoolyse est une réaction proche de l'hydrolyse, mais avec les alcools. Elle conduit aux esters boriques B(OR)₃ ou aux alkylborates B(OR)₄⁻.

La liaison B-F peut être alkylée, par exemple avec un organomagnésien. C'est la voie habituelle pour préparer des alkyl(aryl)borate. Par exemple l'ion tétraphénylborate se prépare ainsi, à partir de BF3 ou de BF₄⁻.