Acidi solfonici

Gli acidi solfonici derivano formalmente dall’acido solforico in cui un gruppo -OH è sostituito da un gruppo R  che può essere un gruppo alchilico o un gruppo arilico e sono pertanto composti organici dello zolfo. Tra gli acidi solfonici più noti vi è l’acido 2-amminoetanosolfonico noto come taurina. Esso fu isolato per la prima volta nel 1827 da due scienziati tedeschi, Friedrich Tiedemann e Leopold Gmelin dalla bile del toro ed è presente in molti tessuti animali.

Gli acidi solfonici sono caratterizzati dall’avere il gruppo -SO₃H in cui lo zolfo ha numero di ossidazione + 4, ibridazione sp³ e geometria tetraedrica. Il più semplice degli acidi alchilsolfonici è l’acido metansolfonico CH₃SO₃H analogo dell’acido acetico mentre il più semplice degli acidi arilsolfonici è l’acido benzensolfonico C₆H₅SO₃H analogo dell’acido benzoico.

Il capostipite degli acidi solfonici in cui il gruppo R è sostituito da un idrogeno è l’acido solfonico HSO₃H.

Gli acidi solfonici sono acidi forti ad esempio l’acido metansolfonico ha un valore di pK_a pari a – 1.9, l’acido acetico ha un valore di pK_a di 4.7; l’acido benzensolfonico ha un valore di pK_a pari a – 2.8 mentre l’acido benzoico ha un valore di pK_a pari a 4.2. In particolare l’acido perfluorometansolfonico, noto come acido triflico CF₃SO₃H ha un valore di pK_a pari a 8.0 · 10¹⁴ e di conseguenza è considerato un superacido.

L’acidità degli acidi carbossilici è dovuta alla dispersione della carica negativa dell’anione carbossilato su due atomi di ossigeno, mentre la forte acidità degli acidi solfonici è dovuta alla dispersione della carica negativa dell’anione solfonato su tre atomi di ossigeno.

Sintesi degli acidi solfonici

Gli acidi solfonici arilici, di cui l’acido benzensolfonico è il capostipite, sono ottenuti da una reazione di solfonazione. La solfonazione del benzene avviene a temperature elevate in presenza di acido solforico. Il prodotto di reazione è l’acido benzensolfonico C₆H₅SO₃H.

Il meccanismo della reazione coinvolge la formazione preliminare di anidride solforica SO₃ dall’acido solforico. L’anidride solforica è un potente elettrofilo, perché l’atomo di zolfo ha una lacuna di elettroni e attacca l’anello benzenico nel modo usuale. La generazione di SO₃ dall’acido solforico è la seguente:

2 H₂SO4 ⇌ SO₃ + H₃O⁺ + HSO₄^–

la reazione procede molto più facilmente se si usa acido solforico fumante invece di acido solforico concentrato e quanto più la concentrazione è elevata. In genere nella pratica, gli acidi solfonici aromatici non sono preparati e maneggiati tali e quali. Infatti essi sono molto corrosivi, igroscopici, non volatili, solubili in acqua e di solito sgradevoli. Essi in realtà sono utilizzati come intermedi e non come prodotti a sé.

Se è necessario isolarli, gli acidi solfonici vengono spesso ottenuti come sali, ma più spesso come i corrispondenti cloruri detti arilsolfocloruri. Il benzene, ad esempio, reagisce con due moli di acido cloro solfonico per dare benzensolfocloruro:

C₆H₆ + 2 HOSO₂Cl ⇌ C₆H₅SO₃Cl + H₂SO₄ + HCl

Molti dei cloruri di arensolfonile, ad eccezione del capostipite, il benzensolfocloruro, al contrario degli acidi corrispondenti sono dei composti ben cristallizzati, relativamente poco reattivi e facili da maneggiare.

Gli acidi alchilsolfonici sono ottenuti dalla reazione tra un alchene in cui il doppio legame si trova in posizione 1 e lo ione bisolfito in ambiente acido:
HSO₃^– + RCH=CH₂ + H⁺ → RCH₂CH₂SO₃H
Un altro metodo consiste nell’ossidazione dei tioli, strategia sintetica utilizzata nella sintesi della taurina:
2 RSH + 3 O₂ → 2 RSO₃H

Reazioni

Gli acidi solfonici possono reagire con alcoli a basso peso molecolare come metanolo, etanolo o isopropanolo per formare i corrispondenti esteri solfonati:
CH₃SO₃H + CH₃CH₂OH → CH₃SO₃CH₂CH₃ + H₂O

Il benzene può essere ottenuto dall’idrolisi degli acidi solfonici. L’acido acido benzenesolfonico viene trattato con acido cloridrico sotto pressione e in presenza di vapore acqueo alla temperatura di 150-200°C.

Nella reazione tra acido benzensolfonico e pentacloruro di fosforo, il gruppo -OH del gruppo -SO₃H viene sostituito dall’atomo di cloro con formazione del cloruro di benzensolfonile:
C₆H₅SO₃H + PCl₅ → C₆H₅SO₃Cl + PCl₃ +HCl

Come tutti gli acidi anche gli acidi solfonici reagiscono con le basi per dare i rispettivi sali. L’acido benzensolfonico reagisce con l’idrossido di sodio per dare il benzensolfonato di sodio:
C₆H₅SO₃H + NaOH → C₆H₅SO₃Na + H₂O

Quest’ultimo, a seguito di una reazione con l’ammoniuro di sodio, noto come sodioammide, dà luogo alla formazione dell’anilina:
C₆H₅SO₃Na + NaNH₂ → C₆H₅NH₂ + Na₂SO₃

Per reazione con il cianuro di sodio, il benzensolfonato di sodio, dà luogo alla formazione di cianobenzene:
C₆H₅SO₃Na + NaCN → C₆H₅CN + Na₂SO₃

Gli acidi solfonici reagiscono con le basi e tale reazione riveste particolare importanza per la sintesi del fenolo. In questo processo, l’acido benzenesolfonico viene fatto reagire con idrossido di sodio acquoso. Il sale risultante viene miscelato con idrossido di sodio solido e fuso ad alta temperatura. Il prodotto di questa reazione è il fenossido di sodio, che viene acidificato con acido acquoso per produrre fenolo.

L’acido benzensolfonico, sebbene il gruppo -SO₃H sia disattivante, può subire le reazioni tipiche del benzene come nitrazione, solfonazione e alogenazione. Poiché il gruppo -SO₃H è un gruppo meta direttore i prodotti della reazione sono sostituiti in posizione meta. Ad esempio, facendo reagire, in presenza di cloruro di ferro (III) l’acido benzensolfonico, si ottiene, come prodotto di reazione, l’acido metaclorobenzensolfonico.

Quando riscaldato con una miscela di acido nitrico e acido solforico concentrati l’acido benzensolfonico dà luogo alla formazione di acido nitrobenzensolfonico.

Esempi di acidi solfonici

Il più semplice degli acidi solfonici è l’acido metansolfonico che ha proprietà fisiche simili a quelle dell’acido solforico, ma è molto meno ossidante, è utilizzato nei processi di elettrodeposizione. È utilizzato come catalizzatore acido di Brønsted per reazioni di esterificazione o alchilazione ed è impiegato nella produzione di biodiesel.

Viene utilizzato come catalizzatore per l’addizione elettrofila di olefine a catena lunga come 1-dodecene al benzene. È molto stabile contro l’ossidazione e la riduzione chimica e non ha tendenza a idrolizzare in acqua. In termini di impatto ambientale, ha una bassa tossicità ed è biodegradabile. Può essere utilizzato nella metallurgia di rame, zinco, cobalto, nichel e terre rare, nonché nel riciclaggio di metalli da prodotti a fine vita.

Sebbene l’acido metansolfonico stesso sia un acido non ossidante, in combinazione con perossido di idrogeno produce liscivianti fortemente ossidanti che possono lisciviare il rame dalla calcopirite o dissolvere l’argento metallico.

L’acido benzensolfonico è un componente fondamentale nella produzione di detersivi e prodotti per la pulizia grazie alle sue eccellenti proprietà tensioattive. Viene utilizzato nell’industria tessile per i processi di tintura e finitura.

Grazie alla sua capacità di rimuovere le impurità e regolare i livelli di pH l’acido benzensolfonico è impiegato nelle applicazioni di trattamento delle acque e funge da precursore nella sintesi di vari composti organici, tra cui prodotti farmaceutici, agrochimici e coloranti.

Tra gli acidi solfonici i più noti sono l’acido 4-metilbenzen-1-solfonico noto come acido p -toluensolfonico che ha attirato molta attenzione nel corso degli anni come catalizzatore per varie trasformazioni organiche grazie alla sua stabilità superiore, alla compatibilità con aria e acqua, alla non tossicità, alla facilità di utilizzo, alla pronta reperibilità, alla convenienza e alla forte natura acida organica.

Recenti studi hanno considerato l’utilizzo dell’acido p -toluensolfonico come catalizzatore acido per l’idrolisi del PET in condizioni relativamente blande. Le tecnologie comuni per l’idrolisi del polietilentereftalato di scarto utilizzano, infatti, generalmente acidi o alcali forti come catalizzatori. Tuttavia, questi processi sono costosi e generano una grande quantità di acque reflue acide, alcaline e saline non è in linea con il concetto di sviluppo sostenibile

Un altro esempio è costituito dall’acido eptadecafluoroottan-1-solfonico noto come acido perfluoroottansolfonico usato per materiali come tessuti, tappeti e carta al fine di renderli resistenti a grasso, olio e acqua.  Inoltre, è utilizzato in galvanostegia, in fotografia, fotolitografia, nell’industria dei semiconduttori, in schiume antincendio e in fluidi idraulici per l’industria aerospaziale.

L’acido dodecilbenzensolfonico è un acido organico della famiglia degli acidi solfonici, di formula chimica C₁₂H₂₅C₆H₅SO₃ utilizzato nella produzione di prodotti cosmetici. È un tensioattivo anionico che può essere efficacemente utilizzato come ingrediente di detersivi, detergenti e detergenti per bucato liquidi o in polvere.

Il suo utilizzo nei detersivi è dovuto alle ottime proprietà disperdenti, emulsionanti, bagnanti e schiumogene. Inoltre, l’acido dodecilbenzenesulfonico è utilizzato nei prodotti di rivestimento o lavorazione dei metalli, nella produzione di prodotti chimici di laboratorio e per regolare il pH.

Usi

A causa della molteplicità degli acidi solfonici dovuta alla diversità del gruppo R, trovano utilizzo in molti ambiti. Gli acidi solfonici sono un ingrediente comune nei detersivi, sia per il bucato che per la pulizia dei piatti.

Molti di essi infatti agiscono da tensioattivi anionici come, ad esempio, gli alchilbenzensolfonati costituiti da un gruppo di testa solfonato idrofilo e da un gruppo di coda alchilbenzene idrofobo. A causa della contemporanea presenza nella molecola di un tensioattivo di una parte idrofoba e di una parte idrofila si ha una modificazione di alcune proprietà chimico-fisiche delle soluzioni acquose, anche diluite, di tali composti. In particolare essi agiscono sulle interfacce liquido-gas, liquido-liquido e liquido-solido.

Una delle principali applicazioni degli acidi solfonici aromatici nell’industria tessile è nel processo di tintura. Questi acidi agiscono come agenti livellanti, assicurando una distribuzione uniforme del colorante sul tessuto. Questo assorbimento uniforme del colorante crea un colore uniforme.

L’acido solfonico, grazie ai suoi costituenti chimici, aiuta ad attivare gli enzimi naturali nella pelle che rompono il legame tra le cellule morte della pelle sullo strato esterno della pelle. Ciò ha un effetto detergente sulla pelle e promuove anche la rigenerazione della pelle, fornendo così un aspetto giovane e sano. Oltre all’acido solfonico, anche molti dei suoi derivati ​​chimici sono usati come catalizzatori efficaci nei prodotti per la cura della pelle.

Gli acidi solfonici trovano utilizzo quali catalizzatori e rappresentano una valida alternativa agli acidi minerali. Sono catalizzatori efficienti, sostenibili e versatili e possono promuovere diverse reazioni catalizzate da acidi come esterificazione, transesterificazione, acetilazione, idrolisi, alchilazione, idratazione e disidratazione.

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