Трифлієва кислота

Трифлієва кислота
Трифторметансульфонова кислота
Назва за IUPAC	Трифторметансульфонова кислота
Інші назви	Трифлієва кислота, ТФМС, ТФСК
Ідентифікатори
Номер CAS	1493-13-6
PubChem	62406
Номер EINECS	216-087-5
ChEBI	48511
SMILES	C(F)(F)(F)S(=O)(=O)O
InChI	1/CHF3O3S/c2-1(3,4)8(5,6)7/h(H,5,6,7)
Номер Бельштейна	1812100
Номер Гмеліна	2805
Властивості
Молекулярна формула	CF3SO3H
Молярна маса	150.07121 г/моль
Зовнішній вигляд	Безбарвна рідина
Густина	1.696 г/мЛ
Тпл	−40°C
Розчинність (вода)	1600 г/Л
Тиск насиченої пари	3.2
Кислотність (pKa)	−14.7±2.0
В'язкість	1,864–1,881 мм2/с при 20°C
Небезпеки
ГГС піктограми
Головні небезпеки	Викликає сильні хімічні опіки
NFPA 704	0 4 2
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

Трифторметансульфонова кислота

Трифторметансульфонова кислота, скорочена назва: трифлієва кислота, ТФМС, ТФСК або TfOH, є сульфокислотою з хімічною формулою CF₃SO₃H. Це одна з найсильніших відомих кислот. Трифлієва кислота в основному використовується в дослідженнях як каталізатор етерифікації. Це гігроскопічна, безбарвна, злегка в’язка рідина, розчинна в полярних розчинниках.

Синтез

Трифторметансульфонова кислота виробляється шляхом промислового електрохімічного фторування (ЕХФ) метансульфонової кислоти:

${\ce {CH3SO3H + 4 HF ->CF3SO2F + H2O + 3 H2}}$

Отримана CF₃SO₂F гідролізується, а отримана трифлатна сіль репротонується. Альтернативою трифторметансульфонова кислота утворюється шляхом окислення трифторметилсульфеніл хлориду:

${\ce {CF3SCl + 2 Cl2 + 3 H2O -> CF3SO3H + 5 HCl}}$

Трифлієву кислоту очищають методом дистиляції від трифлієвого ангідриду.

Історія

Трифторметансульфонова кислота була вперше синтезована в 1954 році Робертом Хазелдіном і Кіддом за такою реакцією:

Реакції

Як кислота

У лабораторії, трифлієва кислота корисна для протонування, оскільки сполучена основа трифлієвої кислоти є ненуклеофільною. Вона також використовується як кислотний титрант у неводному кислотно-основному титруванні, оскільки вона є сильною кислотою в багатьох розчинниках (ацетонітрил, оцтова кислота тощо), де звичайні мінеральні кислоти (такі як хлоридна або сірчана кислоти) є лише кислотами середньої сили.

Трифлієва кислота кваліфікується як суперкислота, через те що її K_a дорівнює 5×10¹⁴, а pK_a = −14.7±2.0. Багатьма своїми корисними властивостями вона зобов'язаний своїй високій термічній і хімічній стійкості. І кислота, і її спряжена основа CF₃SO⁻
₃, відома як трифлат, протистоїть реакціям окислення/відновлення, тоді як багато сильних кислот, наприклад перхлоратна або нітратна, є окислювачами. Додатково рекомендуючи її використання, трифлієва кислота не сульфонує субстрати, що може бути проблемою для сірчаної кислоти, фторсульфової кислоти та хлорсульфонової кислоти. Нижче наведено прототип сульфування, якому не піддається трифлієва кислота:

${\ce {C6H6 + H2SO4 ->[{\ce {SO3}}] C6H5(SO3H) + H2O}}$

Трифлієва кислота випаровується у вологому повітрі та утворює стійкий твердий моногідрат CF₃SO₃H·H₂O, температура плавлення якого 34 °C.

Солеутворення та комплексоутворення

Трифлатний ліганд є лабільним, що відображає його низьку основність. Трифторметансульфонова кислота реагує екзотермічно з карбонатами, гідроксидами та оксидами металів. Прикладом є синтез купрум (II) трифлату (Cu(OTf)₂).

${\ce {Cu2CO3(OH)2 + 4 CF3SO3H -> 2 Cu(O3SCF3)2 + 3 H2O + CO2}}$

Хлоридні ліганди можна перетворити на відповідні трифлати:

${\ce {3 CF3SO3H + [Co(NH3)5Cl]Cl2 -> [Co(NH3)5O3SCF3](O3SCF3)2 + 3 HCl}}$

Це перетворення відбувається у чистому розчині трифлієвої кислоти при 100 °C, з наступним осадженням солі при додаванні ефіру.

Органічна хімія

Трифлієва кислота реагує з ацилгалогенідами з утворенням змішаних трифлатних ангідридів, які є сильними ацилюючими агентами, наприклад, у реакціях Фріделя–Крафтса.

${\ce {CH3C(O)Cl + CF3SO3H -> CH3C(O)OSO2CF3 + HCl}}$

${\ce {CH3C(O)OSO2CF3 + C6H6 -> CH3C(O)C6H5 + CF3SO3H}}$

Трифлієва кислота каталізує реакцію ароматичних сполук із сульфоніл хлоридами, ймовірно, також через посередництво змішаного ангідриду сульфонової кислоти.

Трифлієва кислота сприяє іншим реакціям Фріделя-Крафтса, включаючи крекінг алканів і алкілування алкенів, які є дуже важливими для нафтової промисловості. Ці каталізатори, похідні трифлієвої кислоти, дуже ефективні в ізомеризації вуглеводнів з прямим ланцюгом або злегка розгалуженим ланцюгом, що може підвищити октанове число конкретного палива на основі нафти.

Трифлієва кислота реагує екзотермічно зі спиртами з утворенням простих ефірів і олефінів.

реакція конденсації трифільмової кислоти

Дегідратація дає ангідрид кислоти, трифторметансульфоновий ангідрид, (CF₃SO₂)₂O.

Безпека

Трифлієва кислота є однією з найсильніших кислот. Контакт зі шкірою викликає сильні опіки з уповільненим руйнуванням тканин. При вдиханні вона викликає смертельні спазми, запалення та набряк.

Подібно до сірчаної кислоти, трифлієву кислоту необхідно повільно додавати до полярних розчинників, щоб запобігти термічному витоку.