सुपर एसिड
रसायन विज्ञान में, एक सुपर एसिड(अम्ल) (मूल परिभाषा के अनुसार) एक अम्ल होता है जिसकी अम्लता 100% शुद्ध सल्फ्यूरिक अम्ल(H2SO4) से अधिक होती है,[1] जिसमें -12 का हैमेट अम्लता समारोह (H0) होता है। आधुनिक परिभाषा के अनुसार, एक सुपर अम्ल ऐसा माध्यम है जिसमें शुद्ध सल्फ्यूरिक अम्ल की तुलना में प्रोटॉन की रासायनिक क्षमता अधिक होती है।[2] व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सुपर एसिड्स में ट्राइफ्लोरोमेथेनेसल्फ़ोनिक अम्ल(CF3SO3H), ट्राइफ्लिक अम्ल और फ्लोरोसल्फ्यूरिक अम्ल(HSO3F) के रूप में भी जाना जाता है| दोनों सल्फ्यूरिक अम्ल की तुलना में लगभग एक हजार गुना अधिक मजबूत हैं (अर्थात अधिक ऋणावेश मान H0) । सबसे मजबूत सुपर एसिड मजबूत लुईस एसिड(अम्ल) और एक मजबूत ब्रोंस्टेड एसिड(अम्ल) के संयोजन से तैयार होते हैं। इस तरह का एक मजबूत सुपर एसिड(अम्ल) फ्लोरोएंटिमोनिक अम्ल है। सुपर एसिड्स के एक अन्य समूह, कार्बोरेन अम्ल समूह में कुछ सबसे मजबूत ज्ञात अम्ल होते हैं। अंत में, जब निर्जल अम्ल के साथ उपचार किया जाता है, तो जिओलाइट्स (सूक्ष्म छिद्रपूर्ण एल्युमिनोसिलिकेट खनिज) में उनके छिद्रों के भीतर अतिअम्लीय स्थल होंगे। इन सामग्रियों का उपयोग बड़े पैमाने पर पेट्रो रसायन उद्योग द्वारा ईंधन बनाने के लिए हाइड्रोकार्बन के उन्नयन में किया जाता है।
इतिहास
सुपर एसिड(अम्ल) शब्द मूल रूप से जेम्स ब्रायंट कॉनेंट द्वारा 1927 में उन अम्ल का वर्णन करने के लिए गढ़ा गया था जो पारंपरिक खनिज अम्ल से अधिक मजबूत थे।[1]इस परिभाषा को 1971 में रोनाल्ड गिलेस्पी द्वारा परिष्कृत किया गया था, 100% सल्फ्यूरिक अम्ल (−11.93) की तुलना में H0 मान वाले किसी भी अम्ल के रूप में,[3] जॉर्ज ए. ओलाह ने एंटीमनी पेंटाफ्लोराइड (SbF) और फ्लोरोसल्फोनिक अम्ल(FSO3H) को मिलाकर हाइड्रोकार्बन पर हमला करने की क्षमता के लिए तथाकथित "जादू अम्ल" तैयार किया।[4] क्रिसमस पार्टी के बाद जादू अम्ल नमूने में एक मोमबत्ती रखे जाने के बाद नाम गढ़ा गया था। मोमबत्ती घुल गई, जो अम्ल की अल्केन्स को प्रोटोनेट करने की क्षमता दिखाती है, जो सामान्य अम्लीय परिस्थितियों में किसी भी हद तक प्रोटोनेट नहीं करती है।
140°C (284°F) पर, FSO3H-SBF5 मीथेन को तृतीयक-ब्यूटिल कार्बोकेशन देने के लिए प्रोटोनेट करता है, एक अभिक्रिया जो मीथेन के प्रोटोनेशन से शुरू होती है: [4]
- CH4 + H+ → CH+
5 - CH+
5 → CH+
3 + H2 - CH+
3 + 3CH4 → (CH3)3C+ + 3H2
सुपर एसिड्स के सामान्य उपयोगों में कार्बोकेशन बनाने, बनाए रखने और उनकी विशेषता के लिए एक वातावरण प्रदान करना सम्मिलित है। कार्बोकेशन कई उपयोगी अभिक्रियाओं जैसे कि प्लास्टिक बनाने और उच्च-ऑक्टेन गैसोलीन के उत्पादन में मध्यवर्ती होते हैं|
अत्यधिक अम्ल शक्ति की उत्पत्ति
परंपरागत रूप से, सुपर एसिड्स को ब्रोंस्टेड अम्ल को लुईस अम्ल के साथ मिलाकर बनाया जाता है। लुईस अम्ल का कार्य ब्रोंस्टेड अम्ल के पृथक्करण पर बनने वाले आयनों को बांधना और स्थिर करना है, जिससे विलयन से एक प्रोटॉन स्वीकर्ता को हटा दिया जाता है और विलयन की प्रोटॉन दान करने की क्षमता को मजबूत किया जाता है। उदाहरण के लिए, फ्लोरोएंटिमोनिक एसिडH
2FSbF
6, नाममात्र -21 से कम H0 के साथ विलयन उत्पन्न कर सकता है, जो इसे 100% सल्फ्यूरिक अम्ल से एक अरब गुना अधिक प्रोटोनेटिंग क्षमता प्रदान करता है।[5][6] फ्लोरोएन्टिमोनिक अम्ल निर्जल हाइड्रोजिन फ्लोराइड (HF) में एंटीमनी पेंटाफ्लोराइड (SbF5) को घोलकर बनाया जाता है। इस मिश्रण में, HF अपने प्रोटॉन (H+) सहवर्ती को एंटीमनी पेंटाफ्लोराइड द्वारा F− के बंधन से मुक्त करता है। परिणामी ऋणायन (SbF−
6) आवेश को प्रभावी रूप से विस्थानीकृत करता है और इसके इलेक्ट्रॉन युग्मों को मजबूती से पकड़ता है, जिससे यह एक अत्यंत खराब नाभिकस्नेही और क्षार बन जाता है। घोल में प्रोटॉन स्वीकर्ता (और इलेक्ट्रॉन जोड़ी दाताओं) (ब्रोंस्टेड या लुईस क्षार) की कमजोरी के कारण मिश्रण की असाधारण अम्लता होती है। इस वजह से, फ्लोरोएन्टिमोनिक अम्ल और अन्य सुपर एसिड्स में प्रोटॉन को लोकप्रिय रूप से नग्न के रूप में वर्णित किया जाता है, जिसे समान्यता हाइड्रोकार्बन के C-H बन्ध जैसे प्रोटॉन स्वीकार्य नहीं माना जाता है। यद्यपि, सुपर एसिडिक विलयनों के लिए भी, संघनित चरण में प्रोटॉन अबाध होने से बहुत दूर हैं। उदाहरण के लिए, फ्लोरोएंटिमोनिक अम्ल में, वे हाइड्रोजन फ्लोराइड के एक या एक से अधिक अणुओं से बंधे होते हैं। यद्यपि हाइड्रोजन फ्लोराइड को समान्यता एक असाधारण रूप से कमजोर प्रोटॉन स्वीकर्ता के रूप में माना जाता है (यद्यपि SBF6- की तुलना में कुछ हद तक बेहतर है), इसके प्रोटोनेटेड रूप का पृथक्करण, फ्लोरोनियम आयन H2F+ से HF और वास्तव में नग्न H+ अभी भी एक अत्यधिक उष्माशोषी प्रक्रिया है (ΔG° = +113 kcal/mol), और संघनित चरण में प्रोटॉन की नग्न या अबाध के रूप में कल्पना करना, प्लाज्मा में आवेशित कणों की तरह, अत्यधिक गलत और भ्रामक है।[7]
हाल ही में, कार्बोरेन अम्ल को एकल घटक सुपर एसिड्स के रूप में तैयार किया गया है जो कार्बोनेट आयनों की असाधारण स्थिरता के लिए अपनी ताकत का श्रेय देते हैं, तीन आयामी सुगन्धितता द्वारा स्थिर किए गए आयनों का एक परिवार, साथ ही साथ इलेक्ट्रॉन-निकासी समूह द्वारा विशेष रूप से जुड़ा हुआ है।
सुपर एसिड्स में, प्रोटॉन को प्रोटॉन स्वीकर्ता से प्रोटॉन स्वीकर्ता तक ग्रोथस तंत्र के माध्यम से हाइड्रोजन बन्ध के माध्यम से सुरंग द्वारा तेजी से बंद किया जाता है, जैसे कि अन्य हाइड्रोजन-बंधित नेटवर्क(तंत्र) में, जैसे जल या अमोनिया।[8]
अनुप्रयोग
पेट्रोरसायनिकी में, सुपर एसिडिक माध्यम को उत्प्रेरक के रूप में उपयोग किया जाता है, विशेष रूप से एल्काइलेशन के लिए। विशिष्ट उत्प्रेरक टाइटेनियम और ज़िरकोनियम के सल्फेटेड ऑक्साइड या विशेष रूप से उपचारित एल्यूमिना या जिओलाइट्स हैं। ठोस अम्लों का उपयोग बेंजीन को एथीन और प्रोपीन के साथ अल्काइलेटिंग के साथ-साथ कठिन एसाइलेशन के लिए किया जाता है, जैसे क्लोरोबेंजीन।[9]
उदाहरण
निम्नलिखित मान कई सुपर एसिड्स के लिए हैमेट अम्लता कृत्य(समारोह) दिखाते हैं, जिनमें सबसे मजबूत फ्लोरोएंटिमोनिक अम्ल है।[10] बढ़ी हुई अम्लता H0 के छोटे (इस कारक में, अधिक ऋणावेश) मूल्यों द्वारा इंगित की जाती है|
- फ्लोरोएंटिमोनिक अम्ल ( HF:SbF5, H0-21 और -23 के बीच)
- मैजिक अम्ल (HSO3F:SbF5, H0 = −19.2)
- ट्राइफ्लिडिक अम्ल (CH(CF3SO2)3, H0 = −18.6)
- कार्बोरेन अम्ल (H(HCB11X11), H0 ≤ −18, अप्रत्यक्ष रूप से निर्धारित और प्रतिस्थापन पर निर्भर करता है)
- फ्लोरोबोरिक अम्ल (HF:BF3, H0 = −16.6)
- फ्लोरोसल्फ्यूरिक अम्ल (FSO3H, H0 = −15.1)
- हाइड्रोजन फ्लोराइड (HF, H0 = −15.1)[11]
- ट्राइफ्लिक अम्ल (HOSO2CF3, H0 = −14.9)
- परक्लोरिक तेजाब (HClO4, H0 = −13)
- सल्फ्यूरिक अम्ल (H2SO4, H0 = −11.9)
यह भी देखें
संदर्भ
- ↑ 1.0 1.1 Hall NF, Conant JB (1927). "सुपरएसिड सॉल्यूशंस का एक अध्ययन". Journal of the American Chemical Society. 49 (12): 3062–70. doi:10.1021/ja01411a010.
- ↑ Himmel D, Goll SK, Leito I, Krossing I (2010). "सभी चरणों के लिए एक एकीकृत पीएच स्केल". Angew. Chem. Int. Ed. 49 (38): 6885–6888. doi:10.1002/anie.201000252. PMID 20715223.
- ↑ Gillespie, R. J.; Peel, T. E.; Robinson, E. A. (1971-10-01). "Hammett acidity function for some super acid systems. I. Systems H2SO4-SO3, H2SO4-HSO3F, H2SO4-HSO3Cl, and H2SO4-HB(HSO4)4". Journal of the American Chemical Society. 93 (20): 5083–5087. doi:10.1021/ja00749a021. ISSN 0002-7863.
The work of Jorgenson and Hartter formed the basis for the present work, the object of which was to extend the range of acidity function measurements into the super acid region, i.e., into the region of acidities greater than that of 100% H2SO4.
- ↑ 4.0 4.1 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 (10): 2726–7. doi:10.1021/ja01012a066.
- ↑ Olah, George A. (2005). "अनुसंधान की आधी सदी में पारंपरिक सीमाओं को पार करना". Journal of Organic Chemistry. 70 (7): 2413–2429. doi:10.1021/jo040285o. PMID 15787527.
- ↑ Herlem, Michel (1977). "Are reactions in superacid media due to protons or to powerful oxidising species such as SO3 or SbF5?". Pure and Applied Chemistry. 49: 107–113. doi:10.1351/pac197749010107. S2CID 98483167.
- ↑ Ruff, F. (Ferenc) (1994). Organic reactions : equilibria, kinetics, and mechanism. Csizmadia, I. G. Amsterdam: Elsevier. ISBN 0444881743. OCLC 29913262.
- ↑ Schneider, Michael (2000). "Superacids पर कूदना". Pittsburgh Supercomputing Center. Archived from the original on 23 August 2018. Retrieved 20 November 2017.
- ↑ Michael Röper, Eugen Gehrer, Thomas Narbeshuber, Wolfgang Siegel "Acylation and Alkylation" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2000. doi:10.1002/14356007.a01_185
- ↑ Gillespie, R. J.; Peel, T. E. (1973-08-01). "Hammett acidity function for some superacid systems. II. Systems sulfuric acid-[fsa], potassium fluorosulfate-[fsa], [fsa]-sulfur trioxide, [fsa]-arsenic pentafluoride, [sfa]-antimony pentafluoride and [fsa]-antimony pentafluoride-sulfur trioxide". Journal of the American Chemical Society. 95 (16): 5173–5178. doi:10.1021/ja00797a013. ISSN 0002-7863.
- ↑ Liang, Joan-Nan Jack (1976). The Hammett Acidity Function for Hydrofluoric Acid and some related Superacid Systems (Ph.D. Thesis, advisor: R. J. Gillespie) (PDF). Hamilton, Ontario: McMaster University. p. 109.
