Кіріспе
Магиялық қышқыл (FSO3H·SbF5) - көбінесе 1:1 молярлық қатынаста фтор күкірт қышқылы (HSO3F) мен антимон пентафториді (SbF5) қоспасынан тұратын суперқышқыл. Бұл конъюгатты Бронстед-Льюис суперкислоталық жүйесін 1960-шы жылдары Case Western Reserve University-дегі Джордж Олах зертханасы әзірледі және сұйық ортада карбокациялар мен гиперкоординацияланған карбоний иондарын тұрақтандыру үшін пайдаланылды. Сиқырлы қышқыл және басқа да суперкислоталар қаныққан көмірсутектердің изомеризациясын катализациялау үшін қолданылады және тіпті әлсіз негіздерді, соның ішінде метан, ксенон, галогендер мен молекулалық сутекті протонға айналдырады. Терминді кейіннен Р. Ж. Гиллеспи қолданды, Конант күкірт қышқылын фтор күкірт қышқылымен біріктіргеннен кейін және ерітінді тек күкірт қышқылынан бірнеше миллион есе қышқыл екенін анықтады. Сиқырлы қышқыл жүйесін 1960 жылдары Джордж Олах әзірледі және тұрақты карбокациялар зерттеу үшін пайдаланылатын болды. Гиллеспи қышқыл жүйесін электронды жетіспейтін органикалық емес катиондарды өндіру үшін де қолданды. Бұл атау 1966 жылы Рождестволық тойда пайда болды, онда Ола лабораториясының бір мүшесі парафин шамды қышқылға салып, оның тез ерігенін анықтады. Ерітінді 1H NMR-мен зерттеу кезінде tert-бутил катионы байқалды, бұл шашты құрайтын парафин тізбегі бөлініп, содан кейін салыстырмалы түрде тұрақты үшінші карбокатионға изомерленді. Бұл атау Ола лабораториясы жариялаған газетте пайда болды.
Құрылымы
HSO3F және SbF5 1:1 молярлық қатынасы карбоний иондарын ең жақсы туғызады, бірақ жүйенің басқа молярлық қатынастардағы әсері де құжатталған. SbF5: HSO3F қатынасы 0,2 -ден төмен болғанда, 19F NMR спектроскопиясымен анықталған келесі екі тепе-теңдік ерітіндіде ең көрнекті болып табылады: (Бұл екі құрылымда да күкірт тетраэдрлік емес, жазықтық координацияға ие. Күкірт пен оттегінің арасындағы қос байланыстар формальды теріс зарядты оттегінің атомдары мен формальды плюс екі зарядты күкірттің бірлік байланыстары ретінде дұрыс бейнеленеді. Антимон атомдарының да формальды заряды минус бір болады.) Жоғарыдағы суреттегі МРТ деректерінің 80% -ы I тепе-теңдікке, ал II тепе-теңдікке жатады. Екі қосылыстың арақатынасы 0, 41, 4 - ден өскен сайын жаңа NMR сигналдары пайда болады және SbF5 концентрациясы өскен сайын интенсивтілігі артады. Сұйық жүйенің тұтқырлығы артуына байланысты сигналдардың ажыратылуы да төмендейді.
(In both of these structures, the sulfur has tetrahedral coordination, not planar. The double bonds between sulfur and oxygen are more properly represented as single bonds, with formal negative charges on the oxygen atoms and a formal plus two charge on the sulfur. The antimony atoms will also have a formal charge of minus one.) In the above figure, Equilibrium I accounts for 80% of the NMR data, while Equilibrium II accounts for about 20%. As the ratio of the two compounds increases from 0.4–1.4, new NMR signals appear and increase in intensity with increasing concentrations of SbF5. The resolution of the signals decreases as well, because of the increasing viscosity of the liquid system.
Қуаттылығы
100% күкірт қышқылынан күшті барлық протон өндіретін қышқылдар супер қышқылдар болып саналады және Хаммет қышқылдық функциясының төмен мәндерімен сипатталады. Мысалы, күкірт қышқылының, H2SO4 Хаммет қышқылдық функциясы бар, H0, -12, перхлор қышқылының, HClO4, Хаммет қышқылдық функциясы бар, -13, ал 1: 1 сиқырлы қышқыл жүйесінің, HSO3F · SBF5 -23 . Фтор- антимон қышқылы, ең күшті белгілі суперкислота, экстраполяцияланған H0 мәндеріне дейін -28 дейін жетеді деп есептеледі.
Тұрақты карбокациялар байқаулары
Магикалық қышқылдың нуклеофилдігі төмен, бұл ерітіндідегі карбокациялар тұрақтылығын арттыруға мүмкіндік береді. "Классикалық" үш қуатты карбокация қышқыл ортада байқалады және жазықтық және sp2 гибридті екені анықталды. Көміртек атомын тек алты валентті электрон қоршап тұрғандықтан, ол электрондар тапшылығы жоғары және электрофилді. Ол Льюис нүктелік құрылымдарымен оңай сипатталады, өйткені онда тек екі электрон бар, олар көршілес көміртек атомдарына бір ғана байланыста болады. Көптеген үшінші циклоалкил катиондары суперацидті ерітінділерде де пайда болуы мүмкін. Мұндай мысалдардың бірі - циклопентан мен циклогексан прекурсорларынан құралған 1 метил-1 циклопентил катионы. Циклогексанның жағдайында циклопентил катионы екінші карбокатионның үшінші, тұрақты карбокатионға изомеризациялануынан түзіледі. Циклопропилкарбен иондары, алкенил катиондары және арений катиондары да байқалды. Алайда, Magic acid жүйесін қолдану кеңінен тараған сайын, жоғары координатты карбокациялар байқалды. Пента координатты карбокациялар, сондай-ақ классикалық емес иондар деп сипатталады, тек екі электронды, екі орталық байланыстарды пайдалана отырып суретке түсіруге болмайды, оның орнына екі электронды, үш (немесе одан да көп) орталық байланысын қажет етеді. Бұл иондарда екі электрон екі атомнан артық орналаспайды, бұл байланыстың орталықтарын электронды жетіспеушілікке ұшыратады, олар қаныққан алкандарға электрофильді реакцияларға қатысуға мүмкіндік береді. Метилен көміртегінің көпіршік атомы пентакоординацияланған, оның 3 2 электроны, 2 орталық байланысы және 1 2 электроны, 3 орталық байланысы оның қалған sp3 орбиталымен. Кванттық механикалық есептеулер классикалық модельдің энергия минимумы емес екенін көрсетті. Этан сияқты үлкен алкандар да сиқырлы қышқылда реактивті, екеуі де сутек атомдарын алмасып, протонды неопентан сияқты үлкен карбокациялар құру үшін конденсацияланады. Бұл ион жоғары температурада бөлініп, сутек газы шығарып, төмен температурада т-амил катионды құрайды. Осы жазбада Джордж Олах "алкан" және "парафин" атауларын синоним ретінде қабылдамауымызды ұсынады. "Парафин" сөзі латын тіліндегі "parum affinis" сөзінен алынған, яғни "жақыныстық жоқ" дегенді білдіреді. Ол былай дейді: "Біз бұл ұсынысты белгілі бір ностальгиямен жасаймыз, өйткені "инерт газдар" кем дегенде "асыл" күйін сақтап қалды, өйткені олардың химиялық реактивтілігі айқын болды, бірақ "асыл көмірсутектерге" сілтеме жасау орынсыз сияқты". Магикалық қышқыл сондай-ақ ароматты қосылыстардың сутек переоксидімен электрофилді гидроксилдеуін катализдейді, нәтижесінде моногидроксилденген өнімдердің жоғары өнімділігі дайындалады. Фенолдар суперкислоталы ерітінділерде толық протонды түр ретінде болады және реакцияда пайда болған кезде одан әрі электрофильді шабуылға қарай өшіріледі. Протонды сутек переоксиді белсенді гидроксилдеуші агент болып табылады.
Озонды катализациялау
Алкандардың оттегіленуін озонның қатысуымен сиқырлы қышқылдың (SO2ClF) ерітіндісі катализациялай алады. Механизм алкандардың протолизіне ұқсас, алкандардың бір σ байланысына электрофильді кіріктіруі бар. Көмірсутектерозон кешенінің ауысу жағдайы пента-координацияланған ион түрінде болады. Алкогольдер, кетондар және альдегидтер электрофильді инсертация арқылы да оттегімен қамтамасыз етіледі.
Қауіпсіздік
Барлық күшті қышқылдар, әсіресе супер қышқылдар кезінде жеке қорғану құралдарын қолдану керек. Міндетті қолғаптар мен күзет көздерін қоса, бет қорғанышы мен бетін толық жабу үшін респираторды қолдану ұсынылады. Алдын ала болжам бойынша, сиқырлы қышқыл жұтылғанда және дем алған кезде өте улы болады, тері мен көзді қатты күйдіреді және су жануарларына улы.