Superácidos ¿los conoces?

Nuevamente quiero compartir con ustedes información relativa a los ácidos, hablándoles en esta ocasión de aquellos llamados superácidos, ¿los conocen? ¿No? Entonces quédense a leer esta publicación para que conozcamos más sobre ellos.

Imagen elaborada por @emiliomoron, con uso de una imagen de Dominio Público tomada de pixabay.com

En mi anterior publicación les había comentado sobre las características de los ácidos, de estos compuestos que tienen como característica principal la capacidad de donar protones o de aceptar un par de electrones, según la teoría de Brönsted-Lowry o Lewis respectivamente, siendo de mayor uso comercial e industrial el ácido sulfúrico, el ácido clorhídrico y el ácido nítrico entre otros. De estos, se creía que el ácido sulfúrico era el más fuerte de todos, sin embargo, se encontraron otras sustancias que superan, y con un gran margen, su acidez, ¿lo crees posible? A estas sustancias se les dio el nombre de superácidos, siendo aquellos que presentan una acidez mayor que la del ácido sulfúrico cuándo este se encuentra al 100%^[1], ¿bastante ácido no creen?

El crédito por el descubrimiento de estas sustancias se lo llevó el químico George A. Olah (premio nobel de química 1994) por su trabajo sobre el estudio de carbocationes, al estudiar el efecto de una muestra del ácido fluoroantimónico sobre muestras de parafina y otros compestos saturados, encontró que este ácido era capaz de romper los enlaces simples de estas largas cadenas carbonadas, actuando como protonizador de carbonos (carbocationes), dando lugar a cadenas más ligeras. Por lo que este ácido era ideal para la formación de electrófilos reactivos, reacciones que tienen lugar en medios super ácidos; esto le dio la idea a Olah de una activación súper electrofílica, así, los superácidos de Olah son sustancias que resultan más eficientes en la donación de protones, conduciendo a electrófilos extremadamente reactivos^[2].

Estos superácidos son el resultado de una mezcla de dos ácidos fuertes, un ácido de Brónsted y un ácido de Lewis, los cuales forman una mezcla con una acidez miles de veces de veces mayor que la del ácido sulfúrico concentrado, así es, miles de veces. El superácido más fuerte conocido es el ácido fluoroantimónico (SbHF₆), el cual es el resultado de una mezcla 1:1 de fluoruro de hidrógeno (HF) y pentafluoruro de antimonio (SB₅), en una reacción que se puede representar de la siguiente forma:

Esta es una reacción exotérmica donde el HF libera un protón y su base conjugada (el ion F^-) es atrapado por el SbF₅ para producir el anión SbF₆^- que resulta una sustancia nucleófila muy débil, lo que deja a los protones hidrógeno (H⁺) prácticamente expuesto, lo que trae consigo que el medio muestre una extremada acidez, siendo 2x10¹⁹ mayor que la del ácido sulfúrico^[3].

Acidez de Hammett para los superácidos

Bien, cuando se tiene un sistema cuya acidez es tan grande, la escala de pH que conocemos ya no es útil, de por sí con los pHmetro del laboratorio los ácidos fuertes muy concentrados pueden registrar un pH por debajo de cero, entonces haría falta una escala negativa para poder expresar el pH de estas sustancias (si es que existe un aparato que no se derrita en este medio), por lo que para tener una medida del grado de acidez de ácidos fuertes muy concentrados se utiliza la función de ácidez de Hammett. La acidez de Hammett, identificada como H₀, se usa como sustituta de la escala de pH cuando esta ya no es aplicable, como en el caso de los superácidos, y esta se define como:

donde a es la actividad, y γ son los coeficientes de actividad de una base B y su ácido conjugado^[4].

En la siguiente lista de sustancias que actúan como superácidos se pueden observar su fortaleza ácida expresada en función de la acidez de Hammett, comenzando la lista con el más fuerte conocido, incluyendo algunos ejemplos hasta el ácido sulfúrico.

Comparación de la acidez H₀ para algunos ácidos^[4],^[5]

Aplicaciones

Algunos se habrán preguntado, para que queremos ácidos aún más ácidos. Pues bien, respecto a las aplicaciones del ácido fluoroantimónico podemos leer en wikipedia lo siguiente:

Este ácido extraordinariamente fuerte protona casi todos los compuestos orgánicos.

Entonces los usos de estas poderosas sustancias están más enfocados en la química orgánica. Y siendo los hidrocarburos los compuestos orgánicos más esenciales para nuestra vida moderna, ya que no solo los utilizamos como combustibles para impulsar nuestros vehículos, camiones y aviones, también se utilizan como materia prima para casi todo los productos que podemos imaginar, desde plásticos hasta farmacéuticos; y muchos de estos procesos son catalizados por ácidos, por lo que el conocimiento de la química implicada es de suma importancia para la implementación de nuevos sistemas para lograr mejores rendimientos.

Por ejemplo, algunos catalizadores superacidos han encontrado utilización en una amplia gama de reacciones, especialmente la isomerización de alcanos, aumentando su importancia en el campo de la catálisis^[6]. Se ha encontrado que algunos sistemas catalíticos con soportes superácidos son mucho más activos y selectivos que los catalizadores ácidos convencionales para la oxidación de parafinas ligeras a sus correspondientes aldehídos y alcoholes incluso con condiciones menos severas que las actuales. Lo que representa la obtención de productos con menos consumo de recursos energéticos.

Por otro lado, llaman mi atención como posibles sustitutos del peligrosos fluoruro de hidrogeno (HF) utilizado en la alquilación de la gasolina, ya que se podrían utilizar como catalizadores para romper las largas cadenas de los hidrocarburos parafinicos pesados, generando hidrocarburos más simples y con un mejor octanaje para la gasolina. Reemplazando los ácidos fuertes utilizados como catalizadores ácidos por otros más efectivos, que mejoren el rendimiento y la calidad de los productos.

Otro fruto de estas sustancias fue la síntesis de un anticancerígeno, se trata de la participación de carbocationes superelectrófilicos para racionalizar la formación del agente anticancerígeno difluorado vinflunina a partir de vinorelbina después de la reacción en HF/SbF₅/CCl_4/^[7]. Mediante esta metodología se logró la colocación selectiva de dos átomo de fluor en una estructura que hasta el momento no era accesible por medio de la catálisis ácida convencional, siendo posible ahora con la activación supereltrófilica que brindan los medios superácidos.

---

Bueno amigos hasta aquí la presente publicación, espero haberles brindado una interesante información sobre estas sustancias, de las que si son bien aprovechadas sus particularidades se podrán desarrollar procedimientos y metodologías de síntesis novedosas que conduzcan a productos antes no logrados o mejorar la producción de los existentes. ¡Así que sigamos investigando! Hasta la próxima.

---

Referencias

1. Superácidos.
2. G. A. Olah, "My search for carbocations and their role in chemistry", Discurso del Nobel en Química, 1994.
3. Ácido fluoroantimónico
4. Función de acidez de Hammett
5. Aguilar, A. (2010). Sólidos ácidos, su descripción y aplicaciones. Instituto Politécnico Nacional. México.
6. Akkari, R. Ghorbel, A. (2000). Effect of preparation parameters on the catalytic activities of sulfated ZrO2-SiO2 obtained by sol-gel process. Studies in Surface Science and Catalysis. Volume 143, 2000, Pages 1045-1052.
7. Thibaudeau, S. Carreyre, H. A.Mingot, H. (2017). Synthesis of Fluorinated Nitrogen-Containing Compounds Through Superelectrophilic Activation in Superacid HF/SbF₅