1簡介

分子式:HSbF5(OSO2F)或SbF5·HSO3F
魔酸(圖為含鉛塑料玻璃試劑瓶)

  魔酸(圖為含鉛塑料玻璃試劑瓶)

別名:魔酸、五氟化銻合氟代磺酸
英文:Magic acid
性質:見下

2物理性質

氟銻磺酸是無色透明的粘稠液體,含雜質時為淡黃色、棕色甚至是黑綠色。有明顯的刺激性氣味,純凈的氟銻磺酸密度大致為3.61-3.82g/ml,無固定熔沸點。

3化學性質

氟銻磺酸是超強酸之一,可以看作五氟化銻和氟硫酸的混合物,
氟銻磺酸

  氟銻磺酸

SbF5與FSO3-離子結合成[SbF5(OSO2F)]-離子,使電離出的氫離子幾乎不受粒子引力控制。[SbF5(OSO2F)]-在水溶液中完全電離,暴露在空氣中強烈吸水並有部分水解形成HSbO3、HF、H2SO4和其他強酸及一些絡合物。故久置的魔酸中還有少量SbO3-、F-、SO4 2-、SbO+、SbO2+離子。SbF5(OSO2F)]-離子有和氟離子一樣的活性。當皮膚沾到氟銻磺酸時先會被脫水炭化,接著碳被溶解,[SbF5(OSO2F)]-離子及少量SbO3-、F-等離子進入血液,使鈣、鎂離子失活,導致人體中毒。
氟銻磺酸酸性極強,以至於高氯酸、在其中都會被質子化:
HClO4 + HSbF5(OSO2F) ==== [SbF5(OSO2F)]- + [H2ClO4]+
在這種酸性環境下,一般情況下很多無法進行的有機化合反應可以順利進行。故氟銻磺酸常作為現代化工合成反應的催化劑。
超強酸能向鏈烷烴供給質子,使其質子化形成碳正離子
R3CH + [H2SO3F]+ <----> [R3CH2]+ + HSO3F <----> H2 + [R3C]+ + HSO3F 
超強酸對鏈狀鹵素和硫陽離子的研究提供了一個優良的溶劑介質。
氟銻磺酸還是一種良好的溶劑和腐蝕劑,可以將包括金、鉑在內的極不活潑金屬氧化溶解。氟銻磺酸通常儲存在聚四氟乙烯的容器內。在室溫下氟銻磺酸和玻璃作用劇烈,並能溶解烴類有機物,可以將有機含氧化合物脫水炭化,但和含鉛塑料玻璃(一種狀似玻璃的透明有機含鉛有機材料,主要成分是全氟聚苯乙烯四氟乙烯、和二氟化鉛,如圖所示)反應很慢,故一般用含塑料玻璃製成的細口瓶盛裝。
氟銻磺酸酸使某些很難質子化的物質(如高氯酸)質子化,進一步製備含有-ClO3基團的有機物:
HClO4 + H+ ==== [H2ClO4]+
[H2ClO4]+ +H+ ====[ClO3]++ [H3O]+
C6H6 + [ClO3]+ ==== [C6H6ClO3]+
[C6H6ClO3]+ - H+ ====C6H5ClO3
氟銻磺酸酸使高級烷烴質子化,催化烷烴裂解:
(CH3)3CH + H → (CH3)3C + H2;
(CH3)4C + H → (CH3)3C + CH4
氟銻磺酸酸含有羥基的有機物(如醇、酚、羧酸等)質子化,進一步脫羥基化。
R-OH + 2H = R+(碳正離子) + [H3O]+
強氧化劑:Sb(V)氟化物例如SbF5具有一定的氧化性,加上它超強的酸性,大大增加了氧化能力,能夠氧化腐蝕多種金屬。要注意的是,氟銻磺酸是無水體系,當氟銻磺酸與大量水混合時發生強烈反應,失去超酸性。

4發現過程

1966年聖誕節,美國Case Western Keserve大學,G.A.Olah教授實驗室一位研究人員J.Lukas無意中將聖誕節晚會上用過的蠟燭扔進一個酸性溶液(SbF5·HSO3F)中,結果發現蠟燭很快地溶解了,蠟燭是由一些性質很穩定的高級脂肪烷烴混合物組成的。能夠在室溫下將蠟燭溶解的物質必定具有某種未知的獨特因素。這促使他進一步研究,此實驗溶液去做核磁共振研究(14C-NMR),令人驚奇的是核磁共振譜圖上竟出現了一個尖銳的叔丁基陽離子(碳正離子)峰。這種酸能溶解飽和烴。從那時起,Olah實驗室人員就給SbF5·HSO3F起個綽號叫「魔酸」(Magic acid)。E. M. Arnett J.和W.Larsen於1967年2月在Chem. Eng. News雜誌上發表的文章中也將FSO3H和SbF5的混合物稱為魔酸。人們習慣地將酸強度超過100% H2SO4的一個酸或酸性介質叫做超酸(或超強酸),把SbF5·HSO3F稱作魔酸。也就是後來所說的超強酸。超強酸不但能溶解蠟燭,而且能使烷烴、烯烴等發生一系列化學變化,這是普通酸難以做到的。例如,正丁烷在超強酸的作用下,可以發生 C—H鍵的斷裂,生成氫氣;發生C—C鍵的斷裂,生成甲烷;還可以發生異構化反應生成異丁烷。在奧萊教授和他的學生這一發現的啟示下,迄今為止,科學家們已經找到多種液態和固態的超強酸。液態的有 HF·SbF5、TaF5·HSO3F 等。固態的有 SbF6·SO2ZrO、SbF5·SiO2·Al2O3 等,它們都有類似於SbF5·HSO3F的性質。

5關於魔酸

魔酸(HSbF5(OSO2F),五氟化銻合氟代磺酸,簡稱氟銻磺酸)是由兩種或兩種以上的含氟化合物組成的溶液。比如氟硫酸和五氟化銻按1:0.3(摩爾比)混合時,它的酸性是濃硫酸的 1億倍;按1 :1混合時,它的酸性是濃硫酸的10億倍。能溶解不溶於王水的高級烷烴蠟燭。
酸鹼中和反應的實質是質子的傳遞反應。超酸是指酸性比普通無機酸強10^6~10^10倍的酸。魔酸(HSO3F-SbF5)是已知除氟酸(HF-SbF5)外最強的超酸,許多物質(如H2SO4)在魔酸中可獲得質子(即質子化)。
SbF5和HF以0.2:1的摩爾比混合時酸度以達到100%硫酸的10^9倍以上,隨著SbF5的比例增加酸度還能增強。
魔酸,應當稱魔術酸(magic acid)比較合適,用聚四氟乙烯制的容器盛放,一般講超強酸是指比100%的硫酸氧化性性更強的酸。

6固體魔酸

所謂固體魔酸即將魔酸附著於載體上。常見的載體有氧化鋁、氧化硅、合金、石墨、離子交換樹脂、聚合物等。固體魔酸與液體魔酸相比較有如下優點:
1.反應操作簡單,催化劑容易分離回收。
2.對反應器不易腐蝕。
3.對環境污染較小,處理成本較低。
4.反應選擇性較高。但固體魔酸的強度遠遠低於液體魔酸。
各國科學家正致力研究酸性更強的固體魔酸,使其在工業上發揮更大的作用。

7應用價值

超強酸在化學和化學工業上,極有應用價值,它既是無機及有機的質子化試劑,又是活性極高的催化劑。而由於超強酸的酸性和腐蝕性強得出奇,所以過去一些極難或根本無法實現的化學反應,在超強酸的條件下便能順利進行。比如正丁烷,在超強酸的作用下,可以發生碳氫鍵的斷裂,生成氫氣,也可以發生碳碳鍵的斷裂,生成甲烷,還可以發生異構化生成異丁烷,這些都是普通酸做不到的。
可以預料,隨著這些具有超常酸性和腐蝕性超強酸的相繼問世,化學和化學工業將會迅速走進新時代。

8比較

以下的資料是以哈米特酸度函數作為依據(哈米特酸度函數 (H0) 是一種用于衡量高濃度酸酸性的指標,包括超強酸。它是由物理有機化學家路易斯·普拉克·哈米特(Louis Plack Hammett)建議使用的 ,這也是最著名的酸度函數 ,它對於超出pH值範圍的情況是很有用的。H0每減小一個單位,即表示酸性增強10倍。),哈米特酸度函數以大負數H0值表示:
氟銻酸(1:1)(1990)(H0=−28)
魔酸(五氟化銻合氟磺酸(1:1),簡稱氟銻磺酸)(1974)H0=-25)
碳硼烷酸(1969)(H0=−18.0)
氟磺酸(1944)(H0=−15.1)
三氟甲磺酸(1940)(H0=−14.6)
純高氯酸(H0= -13.0)
純硫酸(H0=-11.93)
氯化氫(H0= −8.0)

9超強酸

魔酸(五氟化銻合氟代磺酸,簡稱氟銻磺酸)的酸性是公認的次強的,值得注意的是魔酸是混合物,由HSO3F與SbF5的混合配置而成的,另外含氧酸的確切定義是由O、H與一中心原子組成的可自主電離出質子的物質,其酸性最強的配置比為HSO3F:SbF5=2:98(摩爾比)這才是真正人們所說的魔酸。如果你學了配位化學就會明白魔酸酸性強的原因了。
其酸性強的機理:首先HSO3F(氟磺酸,或單氟硫酸)的酸性本身比HClO4強,不過在水溶液中由於拉平效應它們的水溶液酸性強度是一樣的(就像濃度一樣的硝酸溶液和鹽酸溶液酸性一樣,我們一般認為HNO3與HCl的酸性是不可區分的,但事實上不是),在HSO3F電離出H+後由於O、F強拉電子作用(誘導效應)使負電荷電荷較均勻的分佈於整個離子,減弱了質子對陰離子團的庫侖力使質子能更好的電離出去。
然後是SbF5的作用,(SO3F)-中由於存在S→O的配位鍵使O上帶較明顯的負電SbF5中由於F對Sb的誘導效應,使Sb帶較強的正電性且Sb上存在一個5p空軌道(為強Lewis酸)正好可以與(SO3F)-中的O上的孤電子對形成較強的配位鍵就是說存在S→O→Sb,這樣負電荷就擴散到了更大區域,並且受到了SbF5基團對負電荷的很好屏蔽,最多(SO3F)-可以與3個SbF5配合,不過配合度越低越穩定,因為SbF5基團太大互相抵觸,(SO3F)-不能更好與太多的SbF5很好配合,因而可以解釋魔酸中SbF5的量相當大,這樣H+對該配合物基本不存在庫侖力了所以H+變得相當自由甚至可以「趴在」電子云密度相對較大的C-H鍵上形成二電子三中心鍵很不穩定易分解生成碳正離子與H2。
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