Ülihapped (superhapped): määratlus, omadused ja tugevaimad näited

Ülihapped (superhapped): määratlus, omadused ja tugevaimad näited — avasta trifüül-, fluorosulfoon- ja fluorantimonhappe võimsus, omadused ja rakendused keemias.

Superhape (või ülihape) on hape, mille happesus on suurem kui 100%-lise puhta väävelhappe happesus. Kaasaegsemalt defineeritakse superhappeid kahekümnenda sajandi teooriate alusel: superhappel on prootoni keemiline potentsiaal (või vastav happelisuse näitaja, nt Hammetti H0) selline, et see on tugevam kui puhtal väävelhappel — teisisõnu suudab see prootonida ja stabiliseerida nii tugevasti, et tavahapped enam ei toimi.

Tüübid ja tuntud näited

Kaubanduslikult kättesaadavad ja sageli kasutatavad superhapped on:

• Trifluorometaansulfoonhape (trifliikhape, triflic acid) — keemiline valem CF3SO3H. See hape on väga tugev ja keemiliselt stabiilne paljude orgaaniliste protsesside jaoks.
• Fluorosulfoonhape — keemiline valem FSO3H. See hape on samuti väga tugev ning seda kasutatakse paljudes sünteesiprotsessides.

Veel tugevamateks liigituvad kahe komponendi kombinatsioonid, kus tugevale Brønstedi happel kombineeritakse tugev Lewis’i hape, mis stabiliseerib konjugeeritud aluse ja suurendab seeläbi prootonide kättesaadavust. Näiteks:

• Magic acid — sageli tähistatud FSO3H·SbF5 (fluorosulfoonhape koos antimonpentafluoriidiga); see segu võib protonida ka tavaliselt inertseid molekule.
• Fluoroantimonhape — väga tugev superhape, mida valmistatakse tavaliselt HF ja SbF5 seguna; see on üks tugevaimaid teadaolevaid happeid.

Miks superhapped on nii tugevad?

Peamised põhjused on:

• Konjugeeritud aluse väga hea stabiliseerimine — kui Lewis’i hape komplekteerub või sidub konjugeeritud aluse (näiteks F− või sulfoonaat), väheneb konjugeeritud aluse reaktiivsus ja prooton eraldub kergemini.
• Elektronegatiivsete rühmade olemasolu orgaanilistes sulfoonhapetes (nt trifliikhappes) – need rühmad delokaliseerivad ja stabiliseerivad negatiivset laengut.
• Kombinatsioonide puhul lisandub Lewis’i happe mõju, mis võib oluliselt langetada süsteemi Hammetti H0 väärtust (muutes happe “tõeliselt” happelisemaks).

Kasutusalad

Superhappeid kasutatakse keemias, kus on tarvis väga tugevat prootonatsiooni või konjugeeritud aluste tugevat stabiliseerimist. Peamised rakendused:

• karbokatioonide tekitamine ja stabiliseerimine — oluline osaks paljudes katalüütilistes isomerisatsioonides ning alküleerimisreaktsioonides;
• orgaaniline süntees, kus on vaja kõrget selektiivsust või spetsiifilist prootonatsiooniastet;
• polümeerimise ja katalüütiliste protsesside katalüsaatorina;
• teoreetilised ja spektroskoopilised uuringud, nt üksikute ioonstruktuuride uurimine, mida tavatingimustes ei näe.

Ohutus ja käitlemine

Superhapped on äärmiselt korrodeerivad, reageerivad kiiresti veega ja võivad tekitada väga toksilisi või söövitavaid ühendeid (nt HF vms). Peamised ohutusreeglid:

• Kasutada sobivaid isikukaitsevahendeid (happekindlad kindad, kaitseprillid, laborikittel);
• Töötada hästi ventileeritavas kohas, eelistatult fume hood’is;
• Säilitada sobivates anumates (paljud superhapped võivad rünnata klaasi — kasutada teflonist või muust sobivast materjalist konteinerit);
• Vältida kokkupuudet veega ja hapete asjatut segamist — eriti ohtlikud on kombineeritud segud (nt HF + SbF5), mis moodustavad väga tugevad ja ohtlikud süsteemid.

Kokkuvõte: Ülihapped on happed, mis on väävelhappest palju tugevamad ning võimaldavad prootonida ja lõhustada molekule, mis tavaliste hapete puhul püsiksid muutumatuna. Tuntud näited on trifluorometaansulfoonhape (CF3SO3H), fluorosulfoonhape (FSO3H) ning äärmuslikumad kombinatsioonid nagu fluoroantimonhape (HF + SbF5) ja FSO3H·SbF5. Nende kasutamine nõuab erilist ettevaatust ja erivarustust.

Küsimused ja vastused

K: Mis on superhape?

K: Milline on superhappe tänapäevane määratlus?

K: Milleks kasutavad keemikud tugevaid happeid?

K: Miks on mõned molekulid tavaliste hapete suhtes vastupidavad?

K: Mida võivad teha ülihapped?

K: Millised on mõned kaubanduslikult kättesaadavad superhapped?

K: Milline on tugevaim teadaolev superhape?

Otsing