설폰산

3. 성질

설폰산은 강산이며, 일반적으로 해당 카복실산보다 약 백만 배 강하다. 예를 들어, p-톨루엔설폰산과 메탄설폰산의 p''K''_a 값은 각각 -2.8과 -1.9인 반면, 벤조산과 아세트산의 값은 각각 4.20과 4.76이다. 그러나 강한 산성으로 인해 p''K''_a 값을 직접 측정하기 어려워, 일반적으로 인용되는 값은 상당한 불확실성을 가진 간접적인 추정치로 간주해야 한다.^[3][4] 설폰산은 염화 나트륨(소금)과 반응하여 설폰산 나트륨과 염화 수소를 형성한다.^[5]

극성으로 인해 설폰산은 결정성 고체 또는 점성이 있는 고비점 액체인 경향이 있다. 또한 일반적으로 무색이며 산화성이 없어^[6] 유기 반응에서 산 촉매로 사용하기에 적합하다. 높은 산성과 극성 때문에 단쇄 설폰산은 물에 잘 용해되며, 장쇄 설폰산은 세제와 같은 특성을 나타낸다.

설폰산의 구조는 메탄설폰산으로 설명된다. 설폰산 그룹 RSO₂OH는 사면체 황 중심을 가지며, 이는 황이 세 개의 산소와 하나의 탄소 원자 중심에 있음을 의미한다. 황 중심의 전체적인 기하학적 구조는 황산의 모양을 연상시킨다.

설폰산이 갖는 -SO₃H 작용기는 '''술포기'''(sulfo group)라고 불린다. 술포기는 강산성과 강한 전자 끌기 성질을 나타낸다.

4. 대표적인 설폰산 화합물

• 메탄설폰산 - 유기 합성에서 촉매로 사용되는 간단한 알킬 설폰산이다.
• 트리플루오로메탄설폰산 - 매우 강한 산으로, 유기 합성에서 촉매 및 시약으로 사용된다.
• 벤젠설폰산 - 가장 간단한 아릴 설폰산으로, 다양한 유도체 합성에 사용된다.
• p-톨루엔설폰산 (토실산) - 유기 합성에서 널리 사용되는 시약이다.
• 10-캄파술폰산 (CSA) - 유기 합성에서 키랄 보조제로 사용된다.
• 타우린 - 담즙산의 일종으로, 자연적으로 발생하는 몇 안 되는 설폰산 중 하나이다.^[6]

5. 반응

강염기로 처리하면 벤젠설폰산 유도체는 페놀로 변환된다.^[10]

:C₆H₅SO₃H + 2 NaOH → C₆H₅OH + Na₂SO₃ + H₂O

아릴설폰산은 가수분해에 취약하며, 이는 술폰화 반응의 역반응이다.

:R-C₆H₄SO₃H + H₂O → R-C₆H₅ + H₂SO₄

벤젠설폰산은 200 °C 이상에서 가수분해되는 반면, 많은 유도체는 더 쉽게 가수분해된다. 따라서 수성 산에서 아릴 설폰산을 가열하면 모 아렌이 생성된다. 예를 들어, 파라-자일렌을 설폰산 유도체를 통해 정제할 수 있다. 2,6-다이클로로페놀의 합성에서는 페놀이 4-설폰산 유도체로 전환된 후 페놀을 옆에 두고 선택적으로 염소화한다. 가수분해는 설폰산기를 방출한다.^[11]

설폰산은 에스터로 전환될 수 있다. 이 부류의 유기 화합물은 일반식 R−SO₂−OR을 갖는다. 메틸 트리플레이트와 같은 설폰산 에스터는 유기 합성에서 우수한 알킬화제로 간주된다. 이러한 설폰산 에스터는 종종 설포닐 클로라이드의 알코올 분해에 의해 제조된다.

:RSO₂Cl + R′OH → RSO₂OR′ + HCl

설폰산 할로겐화물(R−SO₂−X)은 염화 티오닐을 사용하여 설폰산을 염소화하여 생성된다. 설폰산 플루오르화물은 설폰산을 사플루오르화황으로 처리하여 생성할 수 있다.^[12]

:SF₄ + RSO₃H → SOF₂ + RSO₂F + HF

설폰산의 (아릴)C−SO₃⁻ 결합은 강하지만 친핵성 시약에 의해 끊어질 수 있다. 역사적으로나 지속적으로 중요한 것은 안트라퀴논의 α-설폰화이며, 이후 설폰산염 그룹이 다른 친핵체에 의해 치환된다.^[8] 페놀을 생산하는 초기 방법은 벤젠설폰산 나트륨의 염기 가수 분해를 포함했다.^[13]

:C₆H₅SO₃Na + NaOH → C₆H₅OH + Na₂SO₃

그러나 이 반응의 조건은 가혹하며, 벤젠설폰산 자체의 경우 350 °C에서 용융 수산화 나트륨이 필요하다.^[14]

6. 응용

알킬벤젠설포네이트와 같은 설폰산 유도체는 세제 및 계면활성제로 널리 사용된다. 20세기 중반 이후, 선진 사회에서는 설폰산의 사용이 비누를 능가했으며, 다양한 목적으로 연간 약 20억 킬로그램의 알킬벤젠설포네이트가 생산된다.^[7] 리그닌의 설폰화로 생산된 리그노설폰산염은 시추 유체의 구성 요소이며 특정 종류의 콘크리트 첨가제로 사용된다.^[7]

대부분의 안트라퀴논 염료는 설폰화를 통해 생산되거나 가공된다.^[8] 설폰산은 단백질과 탄수화물에 강하게 결합하는 경향이 있다. 대부분의 "세탁 가능한" 염료는 이러한 이유로 설폰산이거나 기능성 설포닐기를 가지고 있다. p-크레시딘설폰산은 식용 색소를 만드는 데 사용된다.

강산인 설폰산은 촉매로도 사용된다. 메탄설폰산(CH₃SO₂OH)과 ''p''-톨루엔설폰산은 지용성(유기 용매에 용해) 산으로 유기 화학에서 정기적으로 사용된다. 고분자 설폰산 역시 유용하다. Dowex 수지는 폴리스티렌의 설폰산 유도체로 촉매 및 이온 교환(연수)에 사용된다. 불소화 고분자 설폰산인 Nafion은 연료 전지의 양성자 교환막의 구성 요소이다.^[9]

설파제라 불리는 항균제는 설폰산으로부터 생산된다.

참조

_[1] 서적 Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure Wiley
_[2] 간행물 Sulfonic Acids, Aliphatic
_[3] 논문 Equilibrium acidities in dimethyl sulfoxide solution 1988
_[4] 서적 March's advanced organic chemistry: reactions, mechanisms, and structure Wiley-Interscience 2007
_[5] 서적 Organic chemistry Oxford University Press 2012-01
_[6] 논문 Environmental benefits of methanesulfonic acid 1999
_[7] 간행물 Surfactants Wiley-VCH, Weinheim
_[8] 간행물 Anthraquinone Dyes and Intermediates
_[9] 논문 Acid Catalysts in Industrial Hydrocarbon Chemistry
_[10] 논문 p-Cresol
_[11] 간행물 Benzenesulfonic Acids and Their Derivatives
_[12] 서적 Organic Reactions 2011
_[13] 간행물 Phenol Wiley-VCH
_[14] 논문 Aromatic Nucleophilic Substitution Reactions. 1951-10-01
_[15] 논문 The Mechanism of the Alkaline Fusion of Benzenesulfonic Acid
_[16] 서적 Sulphonic Acids, Esters and their Derivatives (1991) 1991
_[17] 논문 A practical approach to crosslinking