ما المقصود بالأحماض الفائقة

كما قد تتوقع من الاسم فإن الأحماض الفائقة هي أحماض قوية للغاية، وهي أقوى بكثير من الأحماض المعدنية القوية التقليدية مثل حمض الكبريتيك وحمض الهيدروكلوريك، ويتم تعريف الحموضة الفائقة على أنها مادة ذات قدرة كيميائية أعلى من حمض الكبريتيك النقي بنسبة 100٪.

الأحماض الفائقة

• صاغ جيمس براينت كونانت مصطلح فائق الحموضة في الأصل عام 1927 ميلادي وذلك من أجل وصف الأحماض التي كانت أقوى من الأحماض المعدنية التقليدية، كما وأعد جورج أولاه ما يسمى بالحمض السحري والذي سمي بهذا الاسم لقدرته على مهاجمة الهيدروكربونات عن طريق خلط بينتافلوريد الأنتيمون (SbF5) وحمض الفلوروسولفونيك (FSO3H).

• لقد تمت صياغة الاسم بعد وضع شمعة في عينة من الحمض السحري، الشمعة المذابة تظهر قدرة الحمض على بروتونات الهيدروكربونات والتي في ظل الظروف الحمضية المائية لا يمكن بروتوناتها.

• عند درجة حرارة 140 درجة مئوية يحول FSO3H – SbF5 الميثان إلى كربونات ثلاثية البيوتيل وهو تفاعل يبدأ ببروتون الميثان:

CH4+H+→CH+5

CH+5→CH+3+H2

CH+3+3CH4→(CH3)3C++3H2

• يمكن لحمض الفلورانتيمونيك HSbF6 إنتاج محاليل مع H0 وصولاً إلى -28،حيث يتكون حمض الفلورانتيمونيك من خلال الجمع بين HF و SbF5، وفي هذا النظام يطلق HF بروتونه (H +) المصاحب لربط F− بواسطة خماسي فلوريد الأنتيمون والذي هو حمض لويس، والأنيون الناتج (SbF − 6) عبارة عن نيوكليوفيل ضعيف وقاعدة ضعيفة للغاية.

• إن الحموض الفائقة مفيدة في تفاعلات مثل أزمرة الألكانات، وصناعيًا تُستخدم الزيوليتات المبادلة بالحمض اللامائي، وهي عبارة عن محفزات فائقة الحموضة على نطاق واسع لأزمرة الهيدروكربونات في معالجة النفط الخام إلى البنزين.

• تعتبر القواعد الفائقة مثل الليثيوم ثنائي إيثيل أميد (LiNEt2) ومركبات الألكليثيوم (RLi) وكواشف غرينيارد (RMgX) مفيدة في مجموعة واسعة من التفاعلات العضوية، حيث ينزع (LiNEt2) روابط (C-H) لتوليد الكربونات التفاعلية، إن كلا من (RLi) و (RMgX) من محبي النواة القوية.

• يتيح لنا استخدام القواعد الفائقة في الوسائط غير المائية ترتيب الحموضة (وقياس pKa) لفئات مختلفة من الجزيئات، وهذا الترتيب يعد مهم بشكل خاص في فهم تفاعلات الجزيئات العضوية، ولا بد لك من أن تلاحظ أن ترتيب الحموضة للهيدروكربونات هو الألكينات >> الألكينات ، العطريات >> الألكانات.

• وبالنسبة للترتيب فإن له علاقة بتهجين ذرة الكربون التي تشكل الكربنة، حيث يتم تثبيت الزوج الوحيد سالب الشحنة من (carbanion) في المدارات التي لها شخصية s عالية (وعلى سبيل المثال sp مقابل sp2 أو sp3)، وهذا لأن المدارات s لها كثافة احتمالية محدودة في النواة و “تشعر” بالشحنة النووية الموجبة (وبالتالي استقرار الشحنة السالبة الإضافية على الكربون) أكثر من المدارات p.

• تعمل تأثيرات الرنين أيضًا على استقرار الكربونات، وبالتالي يكون حلقي البنتادين أكثر حمضية من ألكين لأن الشحنة السالبة يتم تحديد موقعها على الحلقة C5H5 (العطرية) بأكملها عند نزع C5H6.

• على الرغم من الإشارة إلى الأحماض الفائقة لأول مرة في عام 1927 ميلادي إلا أنها لم تدرس على نطاق واسع إلا في العقد الماضي، حيث تم الآن الحصول على حموضة تصل إلى 10^12 مرة من حمض الكبريتيك.

• إن النكهة المنخفضة للغاية للأدوية المضادة في الأنظمة فائقة الحموضة مفيدة بشكل خاص في تحضير الكاتيونات المستقرة التي تعاني من نقص الإلكترون وخاصة الكربوهيدرات.

• يمكن الآن دراسة العديد من هذه الكاتيونات التي كان يمكن اكتشافها سابقًا فقط في الطور الغازي في المحلول، كما ويمكن أيضًا الحصول على توليفات عضوية جديدة غير ممكنة في الوسط الحمضي العادي في الأحماض الفائقة بما في ذلك توليفات الهيدروكربونات المهمة اقتصاديًا.

• يمكن أن تفتح القدرة الفريدة للأحماض الفائقة على إحداث تحولات هيدروكربونية حتى لتفعيل الميثان للخضوع لتكاثف قليل الكهرومغناطيسي مجالات جديدة في الكيمياء.

• تشير الحموضة إلى القدرة على إضافة البروتونات +H إلى مواد أخرى، وكلما كان الحمض أقوى زادت قدرته على إنتاج بروتونات المواد الأخرى.

• مثل الرقم الهيدروجيني H0 مقياس الحموضة، والقيم المنخفضة لـ H0 تعني قدرة بروتونية أعلى، مثل الرقم الهيدروجيني H0 مقياس لوغاريتمي.

• يحتوي حمض الكبريتيك بنسبة 100٪ على نسبة H0 تصل إلى -12، وعند المقارنة مع H0 لحمض الفلورانتيمونيك من -31، وهذا يعني أن حمض الفلوروأنتيمونيك أكثر حمضية بمقدار 10^19 من حمض الكبريتيك النقي، وهذا فرق أكبر من الفرق بين حجم الشمس وحجم الأميبا.

أقوى فائق الحموضة

• أن أقوى حمض فائق في الحياة هو حمض الفلوروأنتيمونيك HSbF6، وهو عبارة عن حمض يتكون من خلال عملية يتم فيها مزج مركب هيدروفلوريك ذو الصيغة الكيميائية (HF) مع مركب خامس فلوريد الأنتيمون ذو الصيغة الكيميائية (SbF5)، كما أن الناتج عن عمليات الخلط المختلفة عبارة عن حامض فائق ولكن عندما يتم الخلط بنسب متماثلة من الحموض ينتج أقوى حمض فائق الحموضة معروف للإنسان.

• كما أنه يتحلل بشكل سريع وقابل للانفجار عند ملامسته للماء، وبسبب هذه الخاصية لا يمكن استخدام حمض الفلوروأنتيمون في محلول مائي، ويتم استخدامه فقط في محلول حمض الهيدروفلوريك.

• يحصل تطور لأبخرة تكون شديدة السمية لهذا الحمض، كما أنه ومع ارتفاع درجات الحرارة يتحلل ويولد غاز فلوريد الهيدروجين (حمض الهيدروفلوريك).

• يقوم هذا الحمض بإذابة الزجاج والعديد من المواد الأخرى ويؤدي إلى إضافة بروتون إلى جميع المركبات العضوية تقريبًا، ويتم تخزين هذا الحمض في حاويات PTFE (polytetrafluoroethylene).

ما الذي يجعل حمض الفلوروأنتيمون فائق الحموضة

فائق الحموضة هو أي حمض أقوى من حمض الكبريتيك النقي H2SO4، ومن خلال الأقوى فهذا يعني أن الحامض الفائق يتبرع بمزيد من البروتونات أو أيونات الهيدروجين في الماء أو أن وظيفة (Hammet) الحمضية H0 أقل من -12، ودالة حموضة (Hammet) لحمض الفلورانتيمونيك هي H0 = -28.

أين يستخدم حمض الفلوروأنتيمون

إذا كان هذا الحمض معروف بأنه شديد السمية وخطير، إذا لماذا هناك أشخاص يريدون الحصول عليه، في الواقع إن الإجابة تكمن في خصائصه المتطرفة، إذ أنه يتم استخدام هذا الحمض في كلا من الهندسة الكيميائية والكيمياء العضوية لبروتونات المركبات العضوية بغض النظر عن المذيب، وعلى سبيل المثال يمكن أن يتم استخدام الحمض لإزالة H2 من الأيزوبيوتان والميثان من النيوبنتان، كما ويتم استخدامه كمحفز للألكيلات والتأخيرات في البتروكيماويات.

Superacids أخرى

تشتمل الأحماض الفائقة الأخرى على حامض الكربوران الفائق وعلى سبيل المثال (CHB11Cl11)H بالإضافة إلى حمض الفلوروسلفوريك ذو الصيغة الكيميائية التالية (HFSO3)، كما أنه من الممكن أن يتم اعتبار أحماض الكاربوران من أقوى الأحماض المنفردة في العالم أجمع، إذ أن حمض الفلوروأنتيمون هو في الواقع عبارة عن مزيج من حمض الهيدروفلوريك وخماسي فلوريد الأنتيمون.

إن قيمة الأس الهيدروجيني للكاربوران هي -18، على عكس حمض الفلوروسلفوريك، فإن أحماض الكربوران غير قابلة للتآكل لدرجة أنه يمكن التعامل معها بجلد عاري، وهذه الأحماض غير منتشرة أو متعارف عليها نوعا ما لذا فليس من الممكن أن يواجه طالب الكيمياء أحدها.