Superzuur

ZUREN en BASEN
Algemene begrippen
pH Zuur-basereactie Zuur-basetitratie Zuurconstante Buffer Waterevenwicht Hammett-zuurfunctie
Zuren
Sterk · Zwak · Lewiszuur · Anorganisch zuur · Organisch zuur · Superzuur · Oxozuur · Halogeenzuurstofzuur
Basen
Sterk · Zwak · Lewisbase · Organische base
Portaal   Scheikunde

Een superzuur is een zuur met een zuurgraad hoger dan die van 100% zwavelzuur, dat een Hammett-zuurfunctie (H₀) heeft van -12. Commercieel verkrijgbare superzuren zijn onder andere trifluormethaansulfonzuur (CF₃SO₃H) en Fluorsulfonzuur (FSO₃H), die beide ongeveer duizend keer sterker zijn (oftewel, een meer negatieve H₀-waarde) dan zwavelzuur. De sterkste superzuren worden gemaakt uit twee componenten, een sterk lewiszuur en een sterk brønstedzuur.

De term superzuur werd geopperd door James Bryant Conant in 1927 om zuren te beschrijven die sterker waren dan gewone mineraalzuren^[1]. George A. Olah kreeg in 1994 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn onderzoek naar superzuren en hun gebruik in de directe observatie van carbokationen. Olahs "magische zuur", zo genoemd omdat het koolwaterstoffen aanvalt, wordt gemaakt door antimoonpentafluoride (SbF₅) en fluorzwavelzuur te mengen. De naam werd gegeven door een van professor Olahs postdocs die een kaars in magisch zuur zette. De kaars loste op, wat aantoonde dat het zuur koolwaterstoffen kon protoneren.

Het sterkste superzuur-systeem, het zogenaamde fluorantimoonzuur, is een combinatie van waterstoffluoride en SbF₅. In dit systeem geeft HF zijn waterstofion (H⁺) af, gevolgd door het binden van F⁻ aan het antimoonpentafluoride. Het gevormde anion (SbF₆⁻) is zowel een zwak nucleofiel als een zwakke base. Het proton wordt als het ware "naakt", wat aanleiding geeft voor de extreme zuurgraad. Fluorantimoonzuur is 2×10¹⁹ keer sterker dan 100% zwavelzuur^[2] en kan oplossingen met een H₀ tot -25 geven^[3].

Olah toonde aan dat op 140 °C, FSO₃H–SbF₅ methaan omzet naar het tertiair-butyl-carbokation, een reactie die begint met het protoneren van methaan^[4]:

CH₄ + H⁺ → CH₅⁺

CH₅⁺ → CH₃⁺ + H₂

CH₃⁺ + 3 CH₄ → (CH₃)₃C⁺ + 3H₂

1. ↑ Hall NF, Conant JB (1927). A Study of Superacid Solutions. Journal of the American Chemical Society 49: 3062–70.
2. ↑ Olah, George A. (2005). Crossing Conventional Boundaries in Half a Century of Research. Journal of Organic Chemistry 70 (7): 2413–2429. DOI: S0022-3263(04)00285-3 10.1021/jo040285o S0022-3263(04)00285-3.
3. ↑ Herlem, Michel (1977). Are reactions in superacid media due to protons or to powerful oxidising species such as SO₃ or SbF₅?. Pure & Applied Chemistry 49: 107–113. DOI: 10.1351/pac197749010107. Geraadpleegd op 14 mei 2007.
4. ↑ George A. Olah, Schlosberg RH (1968). Chemistry in Super Acids. I. Hydrogen Exchange and Polycondensation of Methane and Alkanes in FSO₃H–SbF₅ ("Magic Acid") Solution. Protonation of Alkanes and the Intermediacy of CH₅⁺ and Related Hydrocarbon Ions. The High Chemical Reactivity of "Paraffins" in Ionic Solution Reactions. Journal of the American Chemical Society 90: 2726–7. DOI: 10.1021/ja01012a066.