三氟甲磺酸

三氟甲磺酸是一种很强的有机酸，化学式为CF3SO3H。它在酯化反应中可用作催化剂。[2][3]

三氟甲磺酸
IUPAC名
Trifluoromethanesulfonic acid
别名 三氟甲基磺酸、三氟甲烷磺酸、
TfOH、TFSA、TFMS
识别
CAS号 1493-13-6（无水）  checkY
49789-04-0（一水）  checkY
PubChem 62406
SMILES
 
  • FC(F)(F)S(=O)(O)=O
性质
化学式 CF3SO3H
150.08 g·mol⁻¹
外观 无色液体
密度 1.696 g/mL
熔点 -40 °C
沸点 162 °C[1]
溶解性（水） 混溶
危险性
主要危害 强腐蚀性
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

合成

三氟甲磺酸首次于1954年由Haszeldine和Kidd以如下途径制得:[4]

三氟甲磺酸的工业制备可通过甲磺酸的电化学氟化（ECF）得到：

CH3SO3H + 4 HF → CF3SO2F + H2O + 1.5 H2

反应产物CF3SO2F通过水解，得到三氟甲磺酸。另外，制备三氟甲磺酸也可使用三氟甲基氯化硫为原料，和氯气反应、水解得到：[5]

CF3SCl + 2 Cl2 + 2 H2O → CF3SO2OH + 4 HCl

以上途径制得的粗产物可加入三氟甲磺酸酐蒸馏而纯化。[3]

性质
三氟甲磺酸在空气中吸水形成水合物而发烟。

三氟甲磺酸常温下是一种有吸水性和脱水性的无色液体，可溶于极性溶剂，如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙腈和二甲基砜。但由于接触时反应会剧烈放热，将它加入极性溶剂中可能产生危险。 三氟甲磺酸是一种超强酸，Ka = 1 ×1012（pKa ~ −12）[6] 。由于它的热稳定性和化学稳定性很强，它和它的共轭碱（CF3SO−
3）都有较多的用途。共轭碱三氟甲磺酸根能够抵抗氧化还原反应的发生，这和很多同时具有强氧化性的强酸形成了鲜明的对比，如高氯酸、硫酸、硝酸等。它也不容易让其他物质磺化，因此无需和在使用硫酸、氟代硫酸和氯磺酸时一样担心这个反应的发生。

三氟甲磺酸在湿润的空气中发烟，这源自于形成的一水合物固体，CF3SO3H·H2O，熔点为34~35 °C。[7]

酸性

三氟甲磺酸是一种超强酸，具有酸的通性，如和金属、氧化物、弱酸盐、碱反应，得到相应的三氟甲磺酸盐：[8][9]

Cu2(OH)2CO3 + 4 CF3SO3H → 2 Cu(CF3SO3)2 + CO2↑ + 3 H2O
(CH3)2NCl + CF3SO3H → [(CH3)2NClH]CF3SO3

它可以直接将W(CH)L4Cl（L=P(CH3)3）质子化，得到[W(CH2)L4Cl]CF3SO3。[10]

W(CH)L4Cl + CF3SO3H → [W(CH2)L4Cl]CF3SO3

它和双(三苯基磷)(乙烯)铂(0)反应，会同时生成乙烷、配盐（(PPh3)2Pt(OSO2CF3)2）和酯（CF3SO3C2H5）。[11]

形成磺酸衍生物

三氟甲磺酸和醇等有机物发生酯化反应，可以形成酯，但反应中会同时会生成醚和烯烃。如它和乙醇反应，其主产物是乙酸乙酯（45%），同时产物副产物乙醚（19%）和乙烯（13%）。它也可以可逆地和乙烯或乙醚反应，得到三氟甲磺酸乙酯。[12]

它和五氯化磷加热反应，可以得到三氟甲磺酰氯（53%）和三氟甲磺酸酐（20%）。[12]

其它反应

三氟甲磺酸和Se(NSO)2反应，可以得到[Se2N2S]2(CF3SO3)2。[13]

它和Tl5[Nb2S4Br8]Br在湿乙腈中反应，得到含S2桥的水合铌配合物[Nb2(μ2-S2)2(H2O)8](CF3SO3)4·2H2O。[14]

用途

三氟甲磺酸可用作一些有机反应的催化剂，如吲哚和吡咯的傅克氨烷基化反应[15]、醇的酰基化反应[16]、氢胺化反应及氢烷氧基化反应[17]等。

安全警示

三氟甲磺酸是已知的最强酸之一，任何时候都应当谨慎地处理该物质。如不慎接触眼睛，它会造成从烧伤甚至到失明不等的严重伤害。如接触皮肤，三氟甲磺酸会造成皮肤烧伤和长期的组织损伤。如少量CF3SO3H·H2O被吸入肺部，它将造成痉挛、炎症和水肿。[18]

参考资料
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  6. Raamat, E.; Kaupmees, K.; Ovsjannikov, G.; Trummal, A.; Kütt, A.; Saame, J.; Koppel, I.; Kaljurand, I.; Lipping, L.; Rodima, T.; Pihl, V.; Koppel, I. A.; Leito, I. "Acidities of strong neutral Brønsted acids in different media." J. Phys. Org. Chem. 2013, 26, 162-170. doi:10.1002/poc.2946
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