Введение

Магическая кислота (FSO3H·SbF5) - сверхкислота, состоящая из смеси, чаще всего в молярном соотношении 1:1, фторсульфяной кислоты (HSO3F) и пентафторида антимония (SbF5). Эта конъюгированная система суперкислоты Бронстеда-Льюиса была разработана в 1960-х годах лабораторией Джорджа Олаха в Case Western Reserve University и использовалась для стабилизации карбокаций и гиперкоординированных ионов карбония в жидких средах. Магическая кислота и другие суперкислоты также используются для катализации изомеризации насыщенных углеводородов, и было показано, что они протонируют даже слабые основания, включая метан, ксенон, галогены и молекулярный водород. Сам термин был придуман Р. Дж. Гиллеспи позже, после того, как Конант объединил серную кислоту с фторсульфюровой кислотой и обнаружил, что раствор в несколько миллионов раз кислотнее, чем одна только серная кислота. Система магической кислоты была разработана в 1960-х годах Джорджем Олахом и должна была использоваться для изучения стабильных карбокаций. Гиллеспи также использовал кислотную систему для получения неорганических катионов с дефицитом электронов. Название произошло после рождественской вечеринки в 1966 году, когда член лаборатории Ола поместил парафиновую свечу в кислоту и обнаружил, что она быстро растворилась. Исследование раствора с помощью 1H NMR показало наличие терт-бутильного катиона, что свидетельствует о том, что парафиновая цепь, образующая воск, была расщеплена, а затем изомеризирована в относительно стабильный третичный карбокацион. Это имя появилось в статье, опубликованной лабораторией Ола.

Структура

Хотя молярное соотношение HSO3F и SbF5 1:1 наилучшим образом генерирует ионы карбония, эффекты системы на другие молярные соотношения также были задокументированы. Когда отношение SbF5: HSO3F меньше 0,2, следующие два равновесия, определяемые спектроскопией 19F NMR, являются наиболее заметными в растворе: (В обеих этих структурах сера имеет тетраэдрическую координацию, а не плоскую. Двойные связи между серной и кислородными связями более точно представлены как одиночные связи, с формальными отрицательными зарядами на атомах кислорода и формальным плюс два заряда на серы. Атомы антимония также будут иметь формальный заряд минус один.) На приведенной выше фигуре 80% данных МРМ приходится на Эквилибриум I, а около 20% - на Эквилибриум II. По мере увеличения соотношения двух соединений с 0, 41, 4 появляются новые NMR-сигналы и увеличиваются в интенсивности с увеличением концентрации SbF5. Разрешение сигналов также снижается из-за увеличения вязкости жидкой системы.

Сила

Все протонно-производящие кислоты, более сильные, чем 100% серная кислота, считаются сверхкислотами и характеризуются низкими значениями функции кислотности Хамметта. Например, серная кислота, H2SO4, имеет функцию кислотности Хаммета, H0, от −12, перхлориновая кислота, HClO4, имеет функцию кислотности Хаммета, от −13, а система магической кислоты 1:1, HSO3F·SbF5, составляет −23. Фториантимоновая кислота, самая сильная из известных суперкислот, как полагают, достигает экстраполированных значений H0 до - 28.

Наблюдения за стабильными карбокациями

Магическая кислота имеет низкую нуклеофильность, что позволяет повысить стабильность карбокаций в растворе. "Классический" тривалентный карбокацион может наблюдаться в кислой среде, и было обнаружено, что он является плоским и sp2 гибридизированным. Поскольку атом углерода окружен только шестью валентными электронами, он очень дефицитный и электрофильный. Он легко описывается точечными структурами Льюиса, потому что содержит только два электрона, однородные связи с соседними атомами углерода. Многие третичные циклоалкильные катионы также могут образовываться в сверхкислых растворах. Одним из таких примеров является 1 метил 1 циклопентил катион, который образуется как из циклопентана, так и из циклогексанового предшественника. В случае циклогексана циклопентил-катион образуется из изомеризации вторичного карбокатиона на третичный, более стабильный карбокатион. Также были обнаружены ионы циклопропилкарбения, алкенил-катионы и катионы арения. Однако, по мере того как использование системы Магической кислоты стало более распространенным, были замечены более высокие карбокации координат. Пента-координаты карбокаций, также описываемые как неклассические ионы, не могут быть изображены с использованием только двух электронов, двух центральных связей, и требуют, вместо этого, двух электронов, трех (или более) центральных связей. В этих ионах два электрона делокализируются более чем на два атома, что делает эти центры связей настолько дефицитными электронами, что они позволяют насыщенным алканам участвовать в электрофильных реакциях. Мостовой атом метиленового углерода пятикоординационен, с тремя двумя электронами, двумя центральными связями и одной двумя электронами, тремя центральными связями с оставшейся орбитальной sp3. Квантовые механические расчеты также показали, что классическая модель не является энергетическим минимумом. Более крупные алканы, такие как этан, также реактивны в магической кислоте, и оба обмениваются атомами водорода и конденсируются, чтобы сформировать более крупные карбокации, такие как протонный неопентан. Затем этот ион расщепляется при более высоких температурах, и в реакции высвобождается водородный газ и образует тимоиловый катион при более низких температурах. Именно на этой ноте Джордж Олах предлагает нам больше не принимать за синонимичные названия "алканы" и "парафин". Слово "парафин" происходит от латинского "parum affinis", что означает "не имеющий родства". Он говорит: "Однако мы с некоторой ностальгией делаем эту рекомендацию, поскольку "инертные газы" по крайней мере сохранили свою "благородство", поскольку их химическая реактивность стала очевидной, но ссылка на "благородные углеводороды" кажется неуместной". Магическая кислота также каталитизирует электрофильное гидроксилирование ароматических соединений с перекисью водорода, в результате чего получают высокодоходные моногидроксилированные продукты. Фенолы существуют в виде полностью протонированных видов в сверхкислотных растворах, и когда они вырабатываются в реакции, они затем деактивируются для дальнейшей электрофильной атаки. Протонированный перекись водорода является активным гидроксилирующим агентом.

Катализа с использованием озона

Окисление алканов может быть катализировано раствором волшебной кислотыSO2ClF в присутствии озона. Механизм аналогичен протолизу алканов, с электрофильной вставкой в одиночные σ-связи алкана. Переходное состояние углеводородногоозонового комплекса имеет форму пента-координационного иона. Алкоголи, кетоны и альдегиды также окисляются электрофильной инсерцией.

Безопасность

Как и при применении всех сильных кислот, особенно сверхкислотных, следует использовать соответствующее личное защитное оборудование. Кроме обязательных перчаток и защитных очков, рекомендуется также использовать защитный клочок и респиратор для всего лица. Как и ожидалось, волшебная кислота очень токсична при проглатывании и вдыхании, вызывает сильные ожоги кожи и глаз, а также токсична для водных организмов.