En química orgánica , ácido sulfónico (o ácido sulfónico ) se refiere a un miembro de la clase de compuestos organosulfurados con la fórmula general R-S(=O) 2 -OH , donde R es un grupo alquilo o arilo orgánico y el S(= O) grupo 2 (OH) un hidróxido de sulfonilo . [1] Como sustituyente, se le conoce como grupo sulfo . Se puede considerar que un ácido sulfónico es un ácido sulfúrico con un grupo hidroxilo reemplazado por un sustituyente orgánico . El compuesto original (con el sustituyente orgánico reemplazado por hidrógeno) es el ácido sulfónico original, HS(=O) 2 (OH) , un tautómero del ácido sulfuroso , S(=O)(OH) 2 . [a] Las sales o ésteres de ácidos sulfónicos se denominan sulfonatos .
Los ácidos arilsulfónicos se producen mediante el proceso de sulfonación . Generalmente el agente sulfonante es trióxido de azufre . Una aplicación a gran escala de este método es la producción de ácidos alquilbencenosulfónicos :
En esta reacción, el trióxido de azufre es un electrófilo y el areno es el nucleófilo. La reacción es un ejemplo de sustitución aromática electrófila . [1]
Los ácidos alquilsulfónicos se pueden preparar mediante muchos métodos. En la sulfoxidación , los alcanos se irradian con una mezcla de dióxido de azufre y oxígeno . Esta reacción se emplea industrialmente para producir ácidos alquilsulfónicos, que se utilizan como tensioactivos . [2]
La reacción directa de alcanos con trióxido de azufre generalmente no es útil, excepto para la conversión de ácido metanosulfónico en ácido metanodisulfónico .
Se pueden obtener muchos ácidos alcanosulfónicos mediante la adición de bisulfito a alquenos terminales. El bisulfito también se puede alquilar mediante haluros de alquilo : [2]
Los ácidos sulfónicos se pueden preparar mediante oxidación de tioles :
Esta vía es la base de la biosíntesis de taurina .
Muchos ácidos sulfónicos se preparan mediante hidrólisis de haluros de sulfonilo y precursores relacionados. Así, el ácido perfluorooctanosulfónico se prepara mediante hidrólisis del fluoruro de sulfonilo, que a su vez se genera mediante la electrofluoración del ácido octanosulfónico. De manera similar, el cloruro de sulfonilo derivado del polietileno se hidroliza al ácido sulfónico. Estos cloruros de sulfonilo se obtienen mediante reacciones de radicales libres de cloro, dióxido de azufre y hidrocarburos mediante la reacción de Reed .
El ácido vinilsulfónico se deriva de la hidrólisis del sulfato de carbil , ( C2H4 (SO3 ) 2 ) , que a su vez se obtiene mediante la adición de trióxido de azufre al etileno .
Los ácidos sulfónicos son ácidos fuertes. Se suele decir que son alrededor de un millón de veces más fuertes que el ácido carboxílico correspondiente . Por ejemplo, el ácido p -toluenosulfónico y el ácido metanosulfónico tienen valores de p K a de −2,8 y −1,9, respectivamente, mientras que los del ácido benzoico y el ácido acético son 4,20 y 4,76, respectivamente. Sin embargo, como consecuencia de su fuerte acidez, sus valores de p K a no pueden medirse directamente y los valores comúnmente citados deben considerarse como estimaciones indirectas con incertidumbres significativas. Por ejemplo, varias fuentes han informado que el p K a del ácido metanosulfónico es tan alto como −0,6 [3] o tan bajo como −6,5. [4] Se sabe que los ácidos sulfónicos reaccionan con cloruro de sodio sólido ( sal ) para formar sulfonato de sodio y cloruro de hidrógeno. [5] Esta propiedad implica una acidez dentro de dos o tres órdenes de magnitud de la del HCl (g) , cuyo p K a fue determinado recientemente con precisión (p K a aq = −5,9). [ cita necesaria ]
Debido a su polaridad, los ácidos sulfónicos tienden a ser sólidos cristalinos o líquidos viscosos de alto punto de ebullición. También suelen ser incoloros y no oxidantes, [6] lo que los hace adecuados para su uso como catalizadores ácidos en reacciones orgánicas. Su polaridad, junto con su alta acidez, hace que los ácidos sulfónicos de cadena corta sean solubles en agua, mientras que los de cadena más larga exhiben propiedades similares a las de los detergentes.
La estructura de los ácidos sulfónicos se ilustra con el prototipo, el ácido metanosulfónico . El grupo del ácido sulfónico, RSO 2 OH, presenta un centro de azufre tetraédrico, lo que significa que el azufre está en el centro de cuatro átomos: tres oxígenos y un carbono. La geometría general del centro de azufre recuerda a la forma del ácido sulfúrico .
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Se conocen ácidos alquil y aril sulfónicos; la mayoría de las aplicaciones a gran escala están asociadas con los derivados aromáticos.
Los detergentes y tensioactivos son moléculas que combinan grupos altamente polares y no polares. Tradicionalmente, los jabones son los tensioactivos populares, ya que se derivan de ácidos grasos . Desde mediados del siglo XX, el uso de ácidos sulfónicos ha superado al jabón en las sociedades avanzadas. Por ejemplo, se estima que anualmente se producen 2 mil millones de kilogramos de alquilbencenosulfonatos para diversos fines. Los lignina sulfonatos, producidos por sulfonación de lignina , son componentes de fluidos de perforación y aditivos en ciertos tipos de hormigón . [7]
Muchos, si no la mayoría, de los tintes de antraquinona se producen o procesan mediante sulfonación. [8] Los ácidos sulfónicos tienden a unirse firmemente a las proteínas y los carbohidratos . La mayoría de los tintes "lavables" son ácidos sulfónicos (o contienen un grupo sulfonilo funcional ) por este motivo. El ácido p-cresidinasulfónico se utiliza para fabricar colorantes alimentarios.
Al ser ácidos fuertes, los ácidos sulfónicos también se utilizan como catalizadores . Los ejemplos más simples son el ácido metanosulfónico , CH 3 SO 2 OH y el ácido p -toluenosulfónico , que se utilizan habitualmente en química orgánica como ácidos lipófilos (solubles en disolventes orgánicos). También son útiles los ácidos sulfónicos poliméricos. La resina Dowex son derivados del ácido sulfónico del poliestireno y se utilizan como catalizadores y para el intercambio iónico ( ablandamiento de agua ). Nafion , un ácido sulfónico polimérico fluorado, es un componente de las membranas de intercambio de protones en las pilas de combustible . [9]
Las sulfonamidas , una clase de antibacterianos, se producen a partir de ácidos sulfónicos.
En el proceso de sulfito para la fabricación de papel, la lignina se elimina de la lignocelulosa tratando astillas de madera con soluciones de iones sulfito y bisulfito. Estos reactivos rompen los enlaces entre los componentes de celulosa y lignina y especialmente dentro de la propia lignina. La lignina se convierte en lignosulfonatos , ionómeros útiles , que son solubles y pueden separarse de las fibras de celulosa.
Los ácidos arilsulfónicos son susceptibles a la hidrólisis, lo contrario de la reacción de sulfonación. Mientras que el ácido bencenosulfónico se hidroliza por encima de 200 °C, la mayoría de los derivados relacionados son más fáciles de hidrolizar. Por tanto, calentar ácidos arilsulfónicos en ácido acuoso produce el areno original. Esta reacción se emplea en varios escenarios. En algunos casos, el ácido sulfónico sirve como grupo protector solubilizante en agua, como lo ilustra la purificación de paraxileno a través de su derivado de ácido sulfónico. En la síntesis de 2,6-diclorofenol , el fenol se convierte en su derivado de ácido 4-sulfónico, que luego clora selectivamente en las posiciones que flanquean al fenol. La hidrólisis libera el grupo ácido sulfónico. [10]
Los ácidos sulfónicos se pueden convertir en ésteres . Esta clase de compuestos orgánicos tiene la fórmula general R−SO 2 −OR. Los ésteres sulfónicos como el triflato de metilo se consideran buenos agentes alquilantes en síntesis orgánica . Estos ésteres de sulfonato se preparan a menudo mediante alcohólisis de los cloruros de sulfonilo:
Los grupos haluro de sulfonilo se producen cuando un grupo funcional sulfonilo está unido de forma simple a un átomo de halógeno. Tienen la fórmula general R−SO 2 −X donde X es un haluro, normalmente cloruro o fluoruro. Los cloruros se producen mediante cloración de ácidos sulfónicos utilizando cloruro de tionilo . Los fluoruros de sulfonilo se pueden producir tratando ácidos sulfónicos con tetrafluoruro de azufre : [11]
Aunque es fuerte, el enlace (aril)C−SO 3 − puede romperse mediante reactivos nucleofílicos. De importancia histórica y continua es la α-sulfonación de la antroquinona seguida del desplazamiento del grupo sulfonato por otros nucleófilos, que no pueden instalarse directamente. [8] Uno de los primeros métodos para producir fenol implicaba la hidrólisis básica del bencenosulfonato de sodio , que se puede generar fácilmente a partir del benceno. [12]
Sin embargo, las condiciones para esta reacción son duras y requieren 'álcali fundido' o hidróxido de sodio fundido a 350 °C para el propio ácido bencenosulfónico. [13] A diferencia del mecanismo de hidrólisis alcalina fusionada del clorobenceno, que se produce mediante eliminación-adición ( mecanismo bencino ), el ácido bencenosulfónico sufre una conversión análoga mediante un mecanismo S N Ar, como lo revela un marcaje de 14 C, a pesar de la falta de sustituyentes estabilizadores. [14] Los ácidos sulfónicos con grupos aceptores de electrones (por ejemplo, con sustituyentes NO 2 o CN) experimentan esta transformación mucho más fácilmente.
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