Введение

1=Органические соединения со структурой R−S(=O)2−OH

В органической химии сульфоновая кислота относится к классу органосерных соединений с общей формулой R-S(=O)2-OH, где R – органическая алкильная или арильная группа, а группа S(=O)2(OH) – сульфонилгидроксид. Алкилсульфоновые кислоты могут быть получены различными способами. В процессе сульфоксидации алканы облучают смесью диоксида серы и кислорода. Эта реакция используется в промышленности для производства алкилсульфоновых кислот, которые применяются в качестве поверхностно-активных веществ. HSO3 + RCH=CH2 + H+ > RCH2CH2SO3H
HSO3 + RBr > RSO3H + Br

Сульфоновые кислоты могут быть получены окислением тиолов:
RSH + 3/2 O2 > RSO3H
Этот путь лежит в основе биосинтеза таурина.

Пути гидролиза

Многие сульфоновые кислоты получают путем гидролиза сульфонилгалогенидов и связанных с ними предшественников. Так, перфтороктанесульфоновая кислота получается путем гидролиза сульфонилфторида, который, в свою очередь, получают электрофторированием октанесульфоновой кислоты. Аналогично, сульфонилхлорид, полученный из полиэтилена, гидролизуется до сульфоновой кислоты. Эти сульфонилхлориды производят посредством свободнорадикальной реакции хлора, диоксида серы и углеводородов с использованием реакции Рида. Винилсульфоновая кислота получается путем гидролиза карбисульфата (|C2H4(SO3)2|), который, в свою очередь, получают путем присоединения триоксида серы к этилену.

Свойства

Сульфоновые кислоты — сильные кислоты. Обычно утверждается, что они примерно в миллион раз сильнее соответствующих карбоновых кислот. Например, p-толуолсульфоновая кислота и метансульфоновая кислота имеют значения pKa −2,8 и −1,9 соответственно, тогда как для бензойной и уксусной кислот эти значения составляют 4,20 и 4,76 соответственно. Однако, вследствие их сильной кислотности, их значения pKa нельзя измерить напрямую, и обычно приводимые значения следует рассматривать как косвенные оценки с существенными погрешностями. Например, в различных источниках сообщается, что pKa метансульфоновой кислоты может быть как −0,6, так и −6,5. Известно, что сульфоновые кислоты реагируют с твердым хлоридом натрия (солью) с образованием сульфоната натрия и хлороводорода. Это свойство указывает на кислотность, находящуюся в пределах двух-трех порядков величины от кислотности HCl(г), pKa которого недавно был точно определен (pKaaq = −5,9). Благодаря своей полярности, сульфоновые кислоты обычно представляют собой кристаллические твердые вещества или вязкие жидкости с высокой температурой кипения. Они также обычно бесцветны и не обладают окислительными свойствами, что делает их пригодными для использования в качестве кислотных катализаторов в органических реакциях. Их полярность, в сочетании с высокой кислотностью, обеспечивает растворимость короткоцепочечных сульфоновых кислот в воде, в то время как более длинноцепочечные проявляют свойства, подобные моющим средствам. Структура сульфоновых кислот иллюстрируется на примере прототипа — метансульфоновой кислоты. Группа сульфоновой кислоты, RSO2OH, характеризуется тетраэдрическим центром серы, то есть атом серы находится в центре четырех атомов: трех атомов кислорода и одного атома углерода. Общая геометрия центра серы напоминает форму серной кислоты.

Приложения

Известны как алкилсульфоновые, так и арилсульфоновые кислоты, однако большинство крупномасштабных применений связано с ароматическими производными.

Моющие и поверхностно-активные вещества

Моющие средства и поверхностно-активные вещества – это молекулы, сочетающие в себе сильно неполярные и сильно полярные группы. Традиционно мыло является распространенным поверхностно-активным веществом, получаемым из жирных кислот. Однако, начиная с середины 20-го века, использование сульфокислот превзошло использование мыла в развитых странах. Например, ежегодно производится около 2 миллиардов килограммов алкилбензолсульфонатов для различных применений. Сульфонаты лигнина, получаемые сульфонированием лигнина, входят в состав буровых растворов и используются в качестве добавок в определенные виды бетона.

Цветы

Многие, если не большинство, антрахиноновых красителей производятся или обрабатываются с помощью сульфонирования. Сульфокислоты склонны к прочному связыванию с белками и углеводами. Именно поэтому большинство "моющихся" красителей являются сульфокислотами (или содержат функциональную сульфонильную группу). p-Кресдинессульфоновая кислота используется для производства пищевых красителей.

Кислотные катализаторы

Будучи сильными кислотами, сульфоновые кислоты также используются в качестве катализаторов. Простейшие примеры – метансульфоновая кислота, CH3SO2OH, и п-толуолсульфоновая кислота, которые регулярно применяются в органической химии как липофильные кислоты (растворимые в органических растворителях). Полезны также полимерные сульфоновые кислоты. Смола Dowex является производным полистирола, содержащим сульфоновые кислоты, и используется в качестве катализатора и для ионного обмена (умягчения воды). Nafion – фторированная полимерная сульфоновая кислота, являющаяся компонентом протонно-обменных мембран в топливных элементах.

Наркотики

Сульфаниламиды, класс антибактериальных средств, производятся из сульфокислот.

Лигносульфонаты

В сульфитном способе производства бумаги лигнин удаляется из лигноцеллюлозы путем обработки древесной щепы растворами сульфитов и бисульфитов. Эти реагенты разрывают связи между компонентами целлюлозы и лигнина, и особенно внутри самой молекулы лигнина. Лигнин преобразуется в лигносульфонаты – полезные иономеры, которые растворимы и могут быть отделены от целлюлозных волокон.

Гидролиз

Арилсульфоновые кислоты подвержены гидролизу, который является обратной реакцией сульфонированию. В то время как бензолсульфоновая кислота гидролизуется при температуре выше 200 °C, большинство родственных производных гидролизуются легче. Таким образом, нагревание арилсульфоновых кислот в водной кислоте приводит к образованию исходного арена. Эта реакция применяется в различных ситуациях. В некоторых случаях сульфоновая кислота служит водорастворимой защитной группой, что иллюстрируется очисткой пара-ксилола через его сульфоновое производное. В синтезе 2,6-дихлорфенола фенол превращают в его 4-сульфоновое производное, которое затем селективно хлорируется в положениях, расположенных по обе стороны от фенольного гидроксила. Гидролиз высвобождает сульфогруппу.