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The Carbon-Fluorine Bond: the Source of PFAS Stability

1940
Chemist conducting experiment on PFAS in organic chemistry lab.

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are characterized by a chain of carbon atoms bonded to fluorine atoms. The carbon-fluorine (C-F) bond is one of the strongest single bonds in organic chemistry, with a bond dissociation energy around 485 kJ/mol. This extreme strength makes PFAS highly resistant to chemical, thermal, and biological degradation, leading to their environmental persistence.

The exceptional stability of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) is fundamentally rooted in the properties of the carbon-fluorine (C-F) bond. Fluorine is the most electronegative element, creating a highly polarized bond with carbon. This results in a short bond length (around 1.35 Å) and a very high bond dissociation energy, making it extremely difficult to break. In perfluoroalkyl substances, where all non-terminal carbons are fully saturated with fluorine atoms, this effect is amplified. The fluorine atoms create a helical sheath around the carbon backbone, sterically protecting it from chemical attack. This ‘fluorine shield’ also repels both water (hydrophobicity) and oils (oleophobicity), a rare combination that makes PFAS effective surfactants. The cumulative inductive effect of multiple fluorine atoms also strengthens adjacent C-C bonds within the chain, further contributing to the molecule’s overall inertness. This chemical robustness is why PFAS are dubbed “forever chemicals”; they do not readily break down under natural environmental conditions, leading to their widespread accumulation.

UNESCO Nomenclature: 2506
– Organic chemistry

Type

Chemical Property

Perturbation

Fondamentaux

Utilisation

Une utilisation répandue

Précurseurs

  • discovery of fluorine by henri moissan in 1886
  • development of quantum mechanics to explain chemical bonding (e.g., linus pauling’s work on electronegativity)
  • early synthesis of simple organofluorine compounds in the late 19th and early 20th centuries

Applications

  • non-stick coatings (teflon)
  • stain-resistant fabrics (scotchgard)
  • firefighting foams (AFFF)
  • water-repellent clothing
  • food packaging

Brevets :

NA

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