초강산
1. 개요
초강산은 1927년 제임스 브라이언트 코난트가 처음 사용한 용어로, 기존의 무기산보다 강한 산을 의미한다. 1971년 로널드 길레스피는 100% 황산보다 낮은 H₀ 값을 갖는 산으로 초강산을 정의했다. 초강산은 브뢴스테드 산과 루이스 산의 혼합물로 만들어지며, 탄화수소를 공격하는 능력을 가진 매직산, 플루오로안티몬산, 카보란산 등이 있다. 초강산은 카보 양이온을 생성하여 유지하고 특성화하는 환경을 제공하며, 석유화학의 알킬화 반응 촉매, 유기 화학의 카보 양이온 생성에 사용된다.
2. 역사
제임스 브라이언트 코난트는 1927년에 과염소산 계열의 산성을 연구하면서 기존의 무기산보다 강한 산을 설명하기 위해 "초강산"이라는 용어를 처음 사용했다. 1971년 로널드 길레스피는 초강산을 100% 황산의 H₀ 값(-11.93)보다 낮은 산으로 정의했다.
조지 A. 올라는 안티몬 펜타플루오라이드(SbF5)와 플루오로설폰산(FSO3H)을 혼합하여 탄화수소를 공격할 수 있는 "매직산"을 만들었다. 이 이름은 크리스마스 파티 후 매직산 샘플에 양초를 넣었을 때 양초가 녹으면서 붙여졌는데, 이는 일반적인 산성 조건에서는 양성자화되지 않는 알케인을 양성자화할 수 있음을 보여주었기 때문이다. 140 °C에서 FSO3H–SbF5는 메테인을 양성자화하여 삼차 부틸 카보 양이온을 생성한다.
오라는 초강산을 사용하여, 이전까지 불안정한 화학종으로 여겨졌던 다양한 카보 양이온을 직접 관측하고 그 성질을 밝혀냈다. 이 업적으로 오라는 1994년 노벨 화학상을 수상했다. 오라가 개발한 매직산은 루이스 산 중 하나인 오플루오린화 안티몬(SbF5)과 플루오로황산의 혼합물이다. 그 명칭은 크리스마스 파티에서 사용한 양초의 왁스를 마법처럼 녹인 데서 유래한다.
2004년 캘리포니아 대학교의 크리스토퍼 리드는 "단일 분자로서 최강의 산"인 카보란산을 보고했다.
3. 초강산의 강한 산성도
전통적으로 초강산은 브뢴스테드 산과 루이스 산을 혼합하여 만들어진다. 루이스 산은 브뢴스테드 산의 해리에 의해 형성된 음이온과 결합하고 안정화시켜 용액의 양성자 공여 능력을 강화한다. 플루오로안티몬산(H₂FSbF₆)은 -28보다 낮은 H₀ 값을 가지며, 이는 100% 황산보다 10억 배 이상 강한 양성자화 능력이다. 플루오로안티몬산은 무수 플루오린화 안티몬(SbF₅)을 무수 플루오린화 수소(HF)에 용해시켜 만든다. HF는 플루오린화 안티몬에 의해 F⁻가 결합되는 것과 동시에 양성자(H⁺)를 방출한다. 결과적으로 생성된 음이온(SbF₆⁻)은 전하를 효과적으로 분산시켜 극도로 낮은 친핵체 및 염기를 만든다.
초강산에서 양성자는 그로트후스 메커니즘을 통해 수소 결합을 통해 빠르게 이동한다. 카보란산은 3차원 방향족성에 의해 안정화되는 카보란산 음이온의 안정성 덕분에 단일 성분 초강산으로 제조되었다.
4. 응용
석유화학에서 초강산 매체는 알킬화 반응의 촉매로 사용된다. 일반적인 촉매는 티타늄과 지르코늄의 황산화물 또는 특수 처리된 알루미나 또는 제올라이트이다. 유기 화학에서 초강산은 반응 중에 생성된 카보 양이온을 활용하기 위해 알칸을 양성자화하는 데 사용된다. 생성된 카보 양이온은 수많은 유기 화합물의 유기 합성에 매우 유용하며, 초강산의 높은 산도는 반응성이 높고 불안정한 카보 양이온을 향후 반응을 위해 안정화하는 데 도움이 된다.