KWAS SULFONOWY: BUDOWA, NAZEWNICTWO, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Nazywa się kwasem sulfonowym do dowolnego związku należącego do rodziny kwasów organicznych posiadających jeden lub więcej -SO ₃ H. Niektórzy autorzy wskazują, że związkiem macierzystym jest H-S (= O) ₂ -OH lub H-SO ₃ H, zwany przez pewien „kwas sulfonowy”, jednak nie udowodniono jego istnienia ani jego tautomeru HO - S (= O) –OH znanego jako „kwas siarkawy” (H ₂ SO ₃ ), ani w roztworze ani w stanie stałym.

To ostatnie wynika z faktu, że gazowy dwutlenek siarki (IV) (SO ₂ ) w roztworze wodnym przekształca się w jony wodorosiarczynowe (HSO ₃ ^- ) i pirosiarczyn (S ₂ O ₅ ^{2 -} ), a nie w H - S (= O ) ₂ –OH i HO - S (= O) –OH, co zostało już udowodnione przez wielu chemików.

Grupa sulfonylowa. Choij. Źródło: Wikipedia Commons

Związek chemiczny o wzorze R-SO ₃ H kwasów sulfonowych, grupa R może oznaczać takie jak szkielety węglowodorowe alkanu, alkenu, alkinowej i / lub aren. Mogą one zawierać drugorzędne grupy funkcyjne, takie jak między innymi grupy estrowe, eterowe, ketonowe, aminowe, amidowe, hydroksylowe, karboksylowe i fenolowe.

Kwasy sulfonowe to mocne kwasy, porównywalne z kwasem siarkowym (H ₂ SO ₄ ). Jednak pozostałe jego właściwości zależą w dużej mierze od charakteru grupy R.

Niektóre mają tendencję do desulfonianu w wysokich temperaturach. Oznacza to utratę grupy -SO ₃ H, zwłaszcza gdy R jest areną, czyli z pierścieniem benzenowym.

Kwasy sulfonowe mają wiele zastosowań w zależności od ich wzoru chemicznego. Są wykorzystywane między innymi do produkcji barwników, tuszy, polimerów, detergentów, środków powierzchniowo czynnych oraz jako katalizatory.

Struktura

Kwasy sulfonowe mają następującą ogólną strukturę:

Ogólna formuła kwasów sulfonowych. Benjah-bmm27. Źródło: Wikipedia Commons

Nomenklatura

- Grupa sulfonylowa: –SO ₃ H

- Kwas alkilowy lub arylosulfonowy: R - SO ₃ H

Nieruchomości

Są one stałe lub ciekłe w zależności od grupy R. Gazowe kwasy sulfonowe nie są znane.

Ich właściwości fizyczne i chemiczne zależą od charakteru grupy R. Dla porównania przedstawiono niektóre właściwości fizyczne różnych kwasów sulfonowych, gdzie pf to temperatura topnienia, a pe to temperatura wrzenia przy ciśnieniu 1 mm Hg:

- Kwas metanosulfonowy: temperatura topnienia 20 ° C; t.w. 122 ° C

- Kwas etanosulfonowy: temperatura topnienia -17 ° C; temperatura wrzenia 123 ° C

- Kwas propanosulfonowy: temperatura topnienia -37 ° C; t.w. 159 ° C

- Kwas butanosulfonowy: tt -15 ° C; temperatura wrzenia 149 ° C

- Kwas pentanosulfonowy: tt -16 ° C; t.wrz. 163 ° C

- Kwas heksanosulfonowy: tt 16 ° C; temperatura wrzenia 174 ° C

- Kwas benzenosulfonowy: tt 44 ° C; bp 172 ° C (przy 0,1 mm Hg)

- kwas p-toluenosulfonowy: temperatura topnienia 106 ° C; bp 182 ° C (przy 0,1 mm Hg)

- Kwas 1-naftalenosulfonowy: temperatura topnienia 78 ° C; pe rozkłada się

- kwas 2-naftalenosulfonowy: tt 91 ° C; pe rozkłada się

- Kwas trifluorometanosulfonowy: tt brak; bp 162 ° C (przy 760 mm Hg)

Większość z nich jest bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie.

Kwasy sulfonowe są jeszcze bardziej kwaśne niż kwasy karboksylowe. Mają kwasowość podobną do kwasu siarkowego. Rozpuszczają się w wodnym roztworze wodorotlenku sodu i wodnym roztworze wodorowęglanu.

Mają tendencję do termicznego rozkładu, powodując ich desulfonację. Jednak kilka kwasów alkanosulfonowych jest stabilnych termicznie. W szczególności kwas trifluorometanosulfonowy lub kwas trifluorometanosulfonowy jest jednym z najsilniejszych i najbardziej stabilnych kwasów.

Otrzymywanie

Kwasy arylosulfonowe

Kwasy arylosulfonowe są generalnie otrzymywane w procesie sulfonowania, który polega na dodaniu nadmiaru dymiącego kwasu siarkowego (H ₂ SO ₄ + SO ₃ ) do związku organicznego, który chcemy sulfonianować. Na przykład w przypadku benzenu:

C ₆ H ₆ + H ₂ SO ₄ <---> C ₆ H ₅ SO ₃ H + H ₂ O

ArH + H ₂ SO ₄ <---> ArSO ₃ H + H ₂ O

Sulfonowanie jest reakcją odwracalną, ponieważ jeśli dodatek rozcieńczonego kwasu do kwasu benzenosulfonowego i przechodzą przez parę mieszaniny SO ₃ eliminacji reakcja jest generowany i benzen oddestylowuje się poprzez odparowanie z parą wodną, przesunięcia równowagi w kierunku desulfonacja.

Środkiem sulfonującym może być również kwas chlorosiarkowy, kwas amidosulfonowy lub jony siarczynowe.

Kwasy alkilosulfonowe

Są one na ogół wytwarzane przez utlenianie sulfonowe, to znaczy traktowanie związków alkilowych dwutlenkiem siarki SO ₂ i tlenem O ₂ lub bezpośrednio trójtlenkiem siarki SO ₃ .

RH + 2SO ₂ + O ₂ + H ₂ O <----> R-SO ₃ H + H ₂ SO ₄

Aplikacje

Kwasy sulfonowe do środków powierzchniowo czynnych i detergentów

Kwasy alkilobenzenosulfonowe są wykorzystywane do produkcji detergentów i są jednym z najbardziej rozpowszechnionych zastosowań.

Kwas p-metylobenzenosulfonowy. Jego-nie-G. Źródło = wykonane samodzielnie. * Data = 21 sierpnia 2006 r. * Wykonane za pomocą ChemDraw. Źródło: Wikipedia Commons.

Stosuje się je do detergentów w proszku i płynie, ciężkich lub lekkich detergentów, mydeł do rąk i szamponów.

Składnikami aktywnymi są na ogół liniowe alkilobenzenosulfoniany i sulfonowane estry tłuszczowe.

Typowymi środkami powierzchniowo czynnymi są alfa-olefinosulfoniany, sulfobetainy, sulfobursztyniany i alkilodifenyloeter disulfoniany, z których wszystkie pochodzą od kwasów sulfonowych.

Te środki powierzchniowo czynne znajdują zastosowanie w domowych środkach czystości, kosmetykach, polimeryzacji emulsyjnej i produkcji chemii rolniczej.

Lignosulfoniany to sulfonowane pochodne ligniny, składnika drewna, stosowane jako środki dyspergujące, zwilżające, spoiwa w nawierzchniach drogowych, domieszki do betonu oraz dodatki do pasz dla zwierząt.

W celu zwiększenia płynności i wytrzymałości cementu stosuje się pochodną kwasu 2-naftalenosulfonowego.

Barwniki na bazie kwasu sulfonowego

Ogólnie charakteryzują się one tym, że zawierają grupy azowe (R - N = N - R).

Acid Red Barwnik. Smokefoot. Źródło: Wikipedia Commons.

Barwniki pochodzące z kwasu sulfonowego są przydatne w przemyśle papierniczym, tuszach, takich jak druk atramentowy, tekstyliach, takich jak bawełna i wełna, kosmetykach, mydłach, detergentach, żywności i skórze.

Pochodna kwasu 2-naftalenosulfonowego jest również stosowana jako składnik barwników do włókien poliestrowych oraz do garbowania skór.

Amidy na bazie kwasu sulfonowego

W tym zastosowaniu wyróżniają się kwasy akryloamidosulfonowe, które są wykorzystywane w polimerach, do elektroosadzania metali, jako środki powierzchniowo czynne oraz w przezroczystych powłokach przeciwmgielnych.

Są również wykorzystywane do zwiększonego odzyskiwania oleju, jako środki antyadhezyjne, w hydraulicznych mieszankach cementowych oraz jako przyspieszacze utwardzania żywic aminoplastowych.

Niektóre sulfonamidy są również stosowane w formułach środków owadobójczych.

Fluorowane i chlorofluorowane kwasy sulfonowe

W tej grupie wyróżnia się kwas trifluorometanosulfonowy (CF ₃ SO ₃ H), zwany także kwasem trifluorometanosulfonowym. Związek ten znajduje zastosowanie w syntezie organicznej i katalizie reakcji polimeryzacji.

Kwas trifluorometanosulfonowy. Capaccio. Źródło: Wikipedia Commons.

Na przykład jest stosowany do polimeryzacji aromatycznych olefin i do otrzymywania silnie rozgałęzionych węglowodorów parafinowych o wysokiej liczbie oktanowej do stosowania jako dodatki do paliw.

Innym jego zastosowaniem jest synteza przewodzących polimerów, poprzez domieszkowanie poliacetylenu, do produkcji np. Półprzewodników typu p.

Jako katalizator organiczny stosuje się kwas pentafluoroetanosulfonowy (CF ₃ CF ₂ SO ₃ H), znany jako kwas pentafilowy.

Kwas trójfluorometanosulfonowy poddaje się reakcji z pentafluorkiem antymonu (SbF ₅ ), tworząc tak zwany „magiczny kwas”, superkwasowy katalizator, który służy do alkilowania i polimeryzacji.

Nafion-H jest żywicą jonowymienną perfluorowanego polimerowego kwasu sulfonowego. Charakteryzuje się obojętnością wobec mocnych kwasów, mocnych zasad oraz środków redukujących lub utleniających.

W zastosowaniach biologicznych

Jednym z niewielu kwasów sulfonowych występujących w przyrodzie jest kwas 2-aminoetanosulfonowy, lepiej znany jako tauryna, aminokwas niezbędny szczególnie dla kotów.

Syntetyczna i naturalna tauryna jest stosowana jako suplementy w karmie dla zwierząt domowych i środkach farmaceutycznych.

Cząsteczka tauryny. Harbinary. Źródło: Wikipedia Commons

Kwas taurocholowy jest składnikiem żółci i bierze udział w trawieniu tłuszczów. W badaniach białek stosowany jest syntetyczny związek kwasu 8-anilino-1-naftalenosulfonowego.

Kopolimery mocznika i kwasu bifenylodisulfonowego są stosowane jako inhibitory wirusa opryszczki pospolitej.

Niektóre pochodne kwasu sulfonowego, takie jak sulfonowany polistyren i niektóre związki azowe, wykazały właściwości hamujące w stosunku do ludzkiego wirusa niedoboru odporności lub HIV, bez nadmiernej toksyczności wobec komórek gospodarza.

W przemyśle naftowym

Pewne mieszaniny pochodnych ropy naftowej, które zawierają zróżnicowaną kombinację związków aromatycznych, parafin i wielopierścieniowych związków aromatycznych, można poddać sulfonowaniu, a następnie odpowiednio zneutralizować tworząc tak zwane sulfoniany ropy naftowej.

Te sulfoniany ropy naftowej mają właściwość obniżania napięcia powierzchniowego ropy naftowej w wodzie. Ponadto jego produkcja jest bardzo tania.

Z tego powodu sulfoniany ropy naftowej są wtryskiwane do istniejących szybów naftowych, pomagając w odzyskiwaniu ropy naftowej uwięzionej między skałami pod powierzchnią.

W formulacji smarów i środków antykorozyjnych

Sulfoniany magnezu są szeroko stosowane w formulacjach smarów jako dodatki dyspergujące detergenty i zapobiegające zużyciu.

Sulfoniany baru są stosowane w smarach przeciwciernych do łożysk stosowanych w zastosowaniach wymagających dużych prędkości. Sulfoniany sodu i wapnia są stosowane w smarach przekładniowych i smarach w celu poprawy właściwości przy ekstremalnych ciśnieniach.

Sole magnezowe kwasów sulfonowych są również przydatne w zastosowaniach antykorozyjnych, takich jak powłoki, smary i żywice.

Bibliografia

1. Falk, Michael i Giguere, Paul A. (1958). O charakterze kwasu siarkowego. Canadian Journal of Chemistry, tom 36, 1958. Odzyskany z nrcresearchpress.com
2. Betts, RH i Voss, RH (1970). Kinetyka wymiany tlenu między jonem siarczynowym a wodą. Canadian Journal of Chemistry, tom 48, 1970. Odzyskany z nrcresearchpress.com
3. Cotton, FA i Wilkinson, G. (1980). Zaawansowana chemia nieorganiczna. Czwarta edycja. Rozdział 16. John Wiley & Sons.
4. Kirk-Othmer (1994). Encyklopedia technologii chemicznej. Tom 23. Wydanie czwarte. John Wiley & Sons.
5. Kosswig, Kurt. (2012). Środki powierzchniowo czynne. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, tom 35. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.