Trifluormethaansulfonzuur

Trifluormethaansulfonzuur (afgekort tot TfOH of HOTf) is een sulfonzuur met als brutoformule CF₃SO₃H. Zouten en esters worden triflaten genoemd. Het is een van de sterkste bekende zuren en wordt daarom gerekend tot de zogenaamde superzuren.^[1] Het zuur, alsook zouten en esters ervan, worden veel gebruikt in chemische reacties, als katalysator (onder meer bij Friedel-Craftsacyleringen) of als bron voor de triflaatgroep, die een uitstekende leaving group is.

Trifluormethaansulfonzuur
Structuurformule en molecuulmodel
Structuurformule van trifluormethaansulfonzuur
Algemeen
Molecuul­formule	CF3SO3H
Molmassa	150,08 g/mol
CAS-nummer	1493-13-6
EG-nummer	216-087-5
Wikidata	Q304850
Beschrijving	Kleurloze vloeistof met prikkelende geur
Waarschuwingen en veiligheids­maatregelen
Gevaar
H-zinnen	H290 - H302 - H314 - H335
EUH-zinnen	geen
P-zinnen	P280 - P305+P351+P338 - P310
Hygroscopisch?	ja
Fysische eigenschappen
Aggregatie­toestand	vloeibaar
Kleur	kleurloos
Dichtheid	(bij 20°C) 1,708 g/cm³
Smeltpunt	−40 °C
Kookpunt	161-162 °C
Dampdruk	(bij 20°C) 890 Pa
Matig oplosbaar in	water
Evenwichtsconstante(n)	pKa = ± −15
Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar).
Portaal    Scheikunde

Synthese

Trifluormethaansulfonzuur werd voor het eerst gesynthetiseerd in 1954 door Haszeldine en Kidd uitgaande van koolstofdisulfide, joodpentafluoride, trifluorjoodmethaan en zwavel, via onderstaande methode:^[2]

Synthese van trifluormethaansulfonzuur

Een andere methode is de elektrochemische fluorering (ECF) van methaansulfonylfluoride:

Synthese van trifluormethaansulfonzuur

De oxidatie van methyltrifluormethylsulfide met kaliumpermanganaat of waterstofperoxide levert ook trifluormethaansulfonzuur:

Synthese van trifluormethaansulfonzuur

De industriële bereiding maakt gebruik van de hydrolyse van methaansulfonylfluoride, gevolgd door aanzuren van het reactiemengsel. Trifluormethaansulfonzuur wordt ten slotte opgezuiverd door destillatie.

Eigenschappen

Trifluormethaansulfonzuur is bij kamertemperatuur een hygroscopische kleurloze vloeistof met een indringende en prikkelende geur. Het is goed oplosbaar in polaire oplosmiddelen zoals dimethylformamide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO), acetonitril en dimethylsulfon. Tijdens het toevoegen van het zuur aan polaire oplosmiddelen kan een gevaarlijk exotherme reactie optreden.

Met een pK_a van ongeveer −15 voldoet trifluormethaansulfonzuur ruim aan de kwalificatie van superzuur. Het dankt een groot deel van zijn bruikbaarheid aan zijn grote thermische en chemische stabiliteit. Zowel het zuur als zijn geconjugeerde base, triflaat, zijn bestand tegen oxidatie en reductie. Dit in tegenstelling tot veel andere superzuren zoals waterstofperchloraat (HClO₄) en salpeterzuur (HNO₃), die naast sterke zuren ook sterke oxidatoren zijn. Het triflaat-anion is bestand tegen de sterkste nucleofielen.

In vochtige lucht vormt trifluormethaansulfonzuur een witte nevel (vergelijkbaar met zoutzuur of de combinatie van zoutzuur en ammoniak), waarbij het stabiele, vaste monohydraat gevormd wordt. Deze stof heeft een smeltpunt van 34 °C.

Toepassingen

Trifluormethaansulfonzuur wordt vooral vanwege zijn zuursterkte toegepast.

Zoutvorming

Trifluormethaansulfonzuur reageert exotherm met carbonaten en hydroxiden, waarbij de overeenkomstige triflaat-zouten gevormd worden. Een voorbeeld is de reactie met koper(II)carbonaat:

${\displaystyle \mathrm {CuCO_{3}\ +\ 2\ CF_{3}SO_{3}H\ \longrightarrow \ Cu(CF_{3}SO_{3})_{2}\ +\ H_{2}O\ +\ CO_{2}} }$

In synthetisch opzicht is de reactie tussen chloorcomplexen van overgangsmetalen en trifluormethaansulfonzuur interessant:

${\displaystyle \mathrm {[Co(NH_{3})_{5}Cl]Cl_{2}\ +\ 3\ CF_{3}SO_{3}H\ \longrightarrow \ [Co(NH_{3})_{5}CF_{3}SO_{3}](CF_{3}SO_{3})_{2}\ +\ 3\ HCl} }$

Deze omzetting vindt plaats in zuiver trifluormethaansulfonzuur bij 100 °C, waarna het gevormde zout neerslaat bij toevoeging van di-ethylether.

Organische reacties

Met acylhalogeniden vormt trifluormethaansulfonzuur gemengde anhydriden, die als zeer sterke acylerende reagentia gebruikt worden. Een voorbeeld is de reactie met acetylchloride:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}C({=}O)Cl\ +\ CF_{3}SO_{3}H\ \longrightarrow \ CH_{3}C({=}O)OSO_{2}CF_{3}\ +\ HCl} }$

Met het gevormde reagens kan bijvoorbeeld benzeen vlot geacyleerd worden:

${\displaystyle \mathrm {CH_{3}C({=}O)OSO_{2}CF_{3}\ +\ C_{6}H_{6}\ \longrightarrow \ CH_{3}C({=}O)C_{6}H_{5}\ +\ CF_{3}SO_{3}H} }$

Trifluormethaansulfonzuur katalyseert de reactie van aromatische verbindingen met sulfonylchloriden, mogelijk met gemengde anhydriden als intermediair.

Externe links

• (en) MSDS van trifluormethaansulfonzuur
• (en) Gegevens van trifluormethaansulfonzuur in de GESTIS-stoffendatabank van het IFA

Bronnen, noten en/of referenties

1. Howells, R. D., McCown, J. D. (1977). Trifluoromethanesulfonic Acid and Derivatives. Chemical Reviews 77: 69–92. DOI: 10.1021/cr60305a005.
2. R. N. Haszeldine and J. M. Kidd (1954). Perfluoroalkyl derivatives of sulphur. Part I. Trifluoromethanesulphonic acid. J. Chem. Soc.: 4228–4232. DOI: 10.1039/JR9540004228.