Superhappo — määritelmä ja ominaisuudet

Superhappo on happo, jonka happamuus on suurempi kuin 100-prosenttisen puhtaan rikkihapon. Nykymääritelmän mukaan superhapon kemiallinen protonipotentiaali on suurempi kuin puhtaan rikkihapon. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että superhapot pystyvät luovuttamaan protonin (H+) helpommin kuin rikkihappo ja niiden Hammett-happofunktio (H0) on rikkihappoa negatiivisempi.

Määritelmä ja mittaaminen

Superhapolla viitataan yleensä happoon, jonka protonointi- tai protoneja vastaanottava kyky ylittää 100 %:n rikkihapon tason. Hapon voimakkuutta ei aina voi mitata tavanomaisilla pH-asteikoilla, koska monet superhapot eivät toimi vesiliuoksissa tai reagoivat veden kanssa. Siksi happamuutta kuvataan usein Hammett-happofunktiolla (H0) tai arvioimalla kykyä protonoida vaikeasti protonoitavia substraatteja (esim. hydrokarbonaatteja).

Esimerkkejä ja valmistus

Kaupallisesti saatavilla olevia superhappoja ovat muun muassa trifluorimetaanisulfonihappo (CF₃SO₃H), joka tunnetaan myös nimellä trifolihappo tai "triflihappo", sekä fluorosulfonihappo (FSO₃H). Molemmat mainituista ovat huomattavasti vahvempia kuin rikkihappo; niillä on paljon negatiivisempi H₀-arvo ja ne protonoivat helpommin monia orgaanisia yhdisteitä.

Vahvimmat superhapot valmistetaan usein yhdistämällä kaksi komponenttia: voimakas Lewisin happo (esim. SbF₅) ja voimakas Brønstedin happo (esim. HF tai FSO₃H). Tällaisista seoksista syntyviä tunnettuja superhappoja ovat esimerkiksi "magic acid" (FSO₃H + SbF₅) sekä fluoroantimonihappo, joka valmistetaan tyypillisesti sekoittamalla HF ja SbF₅ (kirjoitetaan usein muotoon HF·SbF₅). Fluoroantimonihappoa pidetään yhtenä voimakkaimmista tunnetuista superhapoista.

Lisäksi on olemassa niin sanottuja karboraanihappoja (carborane acids), joiden parina on erittäin heikosti koordinoiva anioni. Nämä hapot voivat olla hyvin vahvoja mutta vähemmän korrosoivia tai oksidoivia, minkä vuoksi niitä käytetään joskus tutkimuksissa stabiloimaan harvinaisia kationeja.

Kemialliset ominaisuudet ja käyttötavat

Superhapot kykenevät protonoimaan molekyylejä, jotka kestävät tavallisten happojen hyökkäyksen. Ne voivat protonoida esimerkiksi aromaattisia yhdisteitä tai jopa alkaaneja muodostaen karbokationeja. Tämän takia superhapot ovat arvokkaita työkaluja orgaanisessa synteesissä: ne katalysoivat isomerisaatiota, alkylaatiota, polymerisaatiota sekä rikkipitoisten ryhmien poistoja ja muita transformaatioreaktioita.

Superhapot voivat myös stabiloida epätavallisia kationimuotoja, mikä on mahdollistanut useiden teoreettisten ja rakenteellisten tutkimusten tekemisen karbokationeista ja muista reaktiovälikomponenteista.

Turvallisuus ja käsittely

Superhapot ovat erittäin korrosoivia ja vaarallisia kemikaaleja. Ne voivat syövyttää metallia, kumia ja jopa lasia (erityisesti seokset, joissa on voimakkaasti fluoridoituneita Lewis-happoja). Siksi näitä happoja käsitellään yleensä PTFE-pinnoitetuissa astioissa ja niille varatuissa erityistiloissa. Työssä on käytettävä sopivia suojavarusteita (kemikaalinkestävät käsineet, suojalasit, hengityssuojaus tarvittaessa) ja varmistettava hyvä ilmanvaihto.

Monet superhapot reagoivat voimakkaasti veden kanssa ja voivat muodostaa myrkyllisiä tai räjähtäviä sivutuotteita. Lisäksi jotkin superhapot ovat voimakkaasti oksidoivia ja voivat sytyttää orgaanisia materiaalijäämiä. Turvallisuusohjeita on noudatettava tarkasti ja jätteiden neutralointi sekä hävitys on suunniteltava etukäteen.

Yhteenveto

Superhappo = happo, jonka protonipotentiaali on suurempi kuin puhtaan rikkihapon.
Arviointi usein Hammett-happofunktion (H0) tai kyvyn perusteella protonoida kovia emäksiä.
Esimerkkejä: CF₃SO₃H (trifolihappo), FSO₃H, ja seokset kuten HF + SbF₅ (fluoroantimonihappo).
Käyttökohteita: katalyysi orgaanisessa synteesissä, petrokemialliset prosessit, karbokationien tutkimus.
Turvallisuus: erittäin korrosoivia, reaktiivisia ja vaativat erityiskäsittelyn.

Aiheeseen liittyvät sivut

Superbase

Kysymyksiä ja vastauksia

Kysymys: Mikä on superhappo?

A: Superhappo on happo, jonka happamuus on suurempi kuin 100-prosenttisen puhtaan rikkihapon.

K: Mikä on superhapon nykyaikainen määritelmä?

V: Nykymääritelmän mukaan superhapolla on korkeampi protonin kemiallinen potentiaali kuin puhtaalla rikkihapolla.

K: Mihin kemistit käyttävät vahvoja happoja?

V: Kemistit käyttävät vahvoja happoja hajottaakseen muita molekyylejä.

K: Miksi jotkin molekyylit kestävät tavallisia happoja?

V: Joillakin molekyyleillä on vahvoja kemiallisia sidoksia, jotka kestävät tavallisten happojen hyökkäyksen.

K: Mitä superhapot voivat tehdä?

V: Superhapot voivat hajottaa molekyylejä, jotka kestävät useimmat muut hapot.

K: Mitä kaupallisesti saatavilla olevia superhappoja on?

V: Trifolihappo ja fluorosulfonihappo ovat kaupallisesti saatavilla olevia superhappoja.

K: Mikä on vahvin tunnettu superhappo?

V: Fluoroantimonihappo on vahvin tunnettu superhappo, joka valmistetaan vahvan Lewisin hapon ja vahvan Brønstedin hapon yhdistelmällä.