Acidul clorosulfonic (cunoscut și ca acid clorosulfuric) este un compus anorganic cu formula chimică HSO3Cl. Molecula, de geometrie tetraedrică, poate fi considerată un intermediar conceptual între SO2Cl2 și H2SO4. Este un lichid incolor, distilabil, care trebuie manipulat cu precauție, fiind o substanță puternic higroscopică și un agent lacrimogen.R.J. Cremlyn, Chlorosulfonic Acid, Springer-Verlag, 2002, ISBN 978-0-85404-498-6
Compusul a fost sintetizat pentru prima dată în 1854 de către Alexander Williamson, prin reacția pentaclorurii de fosfor cu acidul sulfuric. Ulterior, s-a demonstrat că poate fi obținut și prin reacția directă dintre acid clorhidric și trioxid de sulf. De asemenea, poate fi preparat prin distilarea tetraclorurii de carbon cu oleum.
Acidul clorosulfonic reacționează violent cu apa, generând vapori toxici de acid clorhidric și acid sulfuric, care pot provoca iritații ale ochilor, pielii și tractului respirator.
Este utilizat pe scară largă în industrie, în special la sinteza sulfamidelor, a unor medicamente (inclusiv diuretice), a pigmenților și coloranților, a dezinfectanților, a îndulcitorilor artificiali (precum zaharină), precum și în industria textilă și a hârtiei.Cremlyn, op. cit., p. 5
Descoperire Acidul clorosulfonic a fost sintetizat pentru prima dată în 1854 de către Alexander William Williamson.Alan J. Rocke, The Quiet Revolution: Hermann Kolbe and the Science of Organic Chemistry, p. 138 Compusul a fost obținut prin reacția dintre pentaclorură de fosfor și acid sulfuric concentrat.Mary Eunice Novitski, Auguste Laurent and the Prehistory of Valence, p. 113
Ulterior, au fost dezvoltate și alte metode de preparare, printre care: reacția directă dintre acid clorhidric și trioxid de sulf; distilarea oleumului în prezența pentoxidului de fosfor și a clorurii de hidrogen gazoase; reacția unor agenți cloruranți (precum triclorura de fosfor, oxiclorură de fosfor, clorură de tionil sau monoclorura de sulf) cu oleum; reacția unui amestec de dioxid de sulf și clor cu acid acetic glacial; reacția tetraclorurii de carbon cu oleum.
Descoperirea substanței a fost interpretată inițial în cadrul teoriei tipurilor chimice (așa-numita „formulă gerhardtiană”).Alan J. Rocke, Image and Reality: Kekulé, Kopp, and the Scientific Imagination, p. 52
Nomenclatură Conform IUPAC, denumirea sistematică este acid sulfoclorhidric.
Compusul este cunoscut și sub denumirile acid clorosulfuric și acid clorosulfonic (aceasta din urmă fiind utilizată frecvent în industrie). Alte denumiri întâlnite în literatură includ clorhidrină sulfurică, acid sulfuric clorhidrat, acid monoclorosulfuric și acid monoclorosulfonic.
Producere Acidul clorosulfonic este produs industrial prin reacția directă dintre trioxid de sulf și acid clorhidric gazos, în proporții aproximativ echimolare. Reacția este puternic exotermă, astfel încât evacuarea eficientă a căldurii este esențială pentru menținerea temperaturii de reacție în intervalul 50–80 °C.R.J. Cremlyn, Chlorosulfonic Acid, p. 1
HCl + SO3 → ClSO2OH
Trioxidul de sulf poate fi utilizat în stare lichidă sau sub formă de amestec gazos diluat, iar acidul clorhidric este introdus în condiții similare de diluție.
Reacția are loc, de regulă, în coloane echipate cu condensatoare și sisteme de răcire cu apă, pentru a controla temperatura și a preveni descompunerea produsului. Echipamentele utilizate trebuie să fie fabricate din materiale rezistente la coroziune, precum sticlă, oțel emailat, oțel căptușit cu politetrafluoretilenă sau materiale compozite armate cu fibră de sticlă, pentru a evita contaminarea cu fier.
Acidul clorosulfonic poate fi depozitat și transportat în recipiente din oțel; în aceste condiții, conținutul de fier poate ajunge la 25–50 ppm, comparativ cu valorile tipice de 5–50 ppm determinate prin analiză chimică.Cremlyn, op. cit., p. 1
Producția industrială a crescut semnificativ după Al Doilea Război Mondial, ca urmare a dezvoltării industriilor de detergenți sintetici, coloranți, medicamente și pesticide. La nivel mondial există aproximativ douăzeci de producători. În Statele Unite ale Americii, printre producătorii importanți se numără DuPont și Gabriel Chemical Company, cu capacități anuale de peste 30.000 t, respectiv 13.000 t. Prețul acidului clorosulfonic a crescut de la aproximativ 209 USD/t în 1977 la circa 389 USD/t în 1991.Cremlyn, op. cit., p. 1
Proprietăți fizice Acidul clorosulfonic este un lichid incolor sau slab gălbui, care fumegă în aer și se descompune la apropierea de punctul de fierbere. Obținerea unei probe pure este dificilă, deoarece substanța tinde să se descompună înainte de a putea fi purificată prin distilare, chiar și la presiune redusă. Totuși, au fost obținute probe pure prin cristalizare fracțională.
Este un acid puternic, toxic și coroziv, cu miros înțepător. Prezintă proprietăți higroscopice și acționează ca agent oxidant și clorinant.
Este solubil în halocarburi care conțin hidrogen, precum cloroformul, diclormetanul și 1,1,2,2-tetracloroetanul, dar doar parțial solubil în tetraclorură de carbon și disulfură de carbon. De asemenea, este solubil în dioxid de sulf lichid, clorură de sulfuril, acid acetic, anhidridă acetică, acid trifluoroacetic, anhidridă trifluoroacetică și nitrobenzen.
Compusul este neinflamabil, însă reactivitatea sa ridicată implică riscuri semnificative. Reacționează violent cu apa, eliberând vapori toxici, și este incompatibil cu numeroase substanțe, inclusiv alcooli, fosfor și azotat de argint. La încălzire, se descompune, formând gaze toxice de oxizi ai sulfului și clorului. De asemenea, poate reacționa periculos cu materiale combustibile, precum lemnul, hârtia sau uleiurile.Jeffrey W. Vincol, Risk Management for Hazardous Chemicals, vol. 1, p. 628
Structura moleculară a acidului clorosulfonic a fost stabilită prin studii de susceptibilitate magnetică și spectroscopie Raman, care au demonstrat legătura directă dintre atomii de sulf și clor.R.J. Cremlyn, Chlorosulfonic Acid, p. 2
Proprietăți chimice Acidul clorosulfonic este un acid puternic, caracterizat printr-o legătură relativ slabă între atomii de sulf și clor. În prezența umidității din aer, fumegă, formând vapori de acid clorhidric și acid sulfuric.
Aciditatea sa este mai mare decât cea a acidului sulfuric, dar mai mică decât cea a acidului fluorosulfuric (HSO3F). Constanta dielectrică ridicată (aproximativ 60), împreună cu aciditatea sa, indică faptul că poate acționa ca solvent pentru diverse substanțe anorganice și organice.J.J. Lagowski (ed.), The Chemistry of Nonaqueous Solvents VB: Acid and Aprotic Solvents, p. 138
La încălzire, acidul clorosulfonic se descompune parțial, formând clorură de sulfuril, acid sulfuric, trioxid de sulf, acid pirosulfuric, acid clorhidric și alți compuși. La aproximativ 170 °C se stabilește un echilibru între acidul clorosulfonic, clorura de sulfuril și acidul sulfuric. La temperaturi mai ridicate sau în sisteme închise, pot apărea și dioxid de sulf și clor.
Similar acidului fluorosulfuric, acidul clorosulfonic suferă reacții de autoprotoliză.Lagowski, op. cit., p. 139
Reacții cu compuși anorganici În reacție cu pentoxid de fosfor, acidul clorosulfonic formează clorură de pirosulfuril (Cl2S2O5). În prezența sărurilor mercurice sau a altor catalizatori, acesta se descompune în clorură de sulfuril și acid sulfuric.
Acționează ca agent clorinator față de unele elemente, precum sulf, arsen, stibiu sau aluminiu, formând diclorură de sulf și tetracloruri corespunzătoare. Pulberile de seleniu și telur pot fi utilizate pentru detectarea sa, prin apariția unor colorații caracteristice (roșu pentru seleniu și verde pentru telur).
Reacții cu compuși organici Acidul clorosulfonic este utilizat pe scară largă în reacții de sulfonare și clorosulfonare, în special pentru compuși aromatici. Reacționează cu diverși compuși organici (inclusiv hidrocarburi, halogenuri de alchil, alcooli și amine), introducând grupări funcționale sulfonice sau clorosulfonice.
Reacțiile specifice includ: sulfonilarea compușilor organici; clorosulfonarea compușilor aromatici; reacții cu compuși alifatici (hidrocarburi, halide alchilice, alcooli și derivați carbonilici); reacții cu amine alifatice și compuși heterociclici.
Răspândire
Compuși asemănători FSO2OH este un acid foarte puternic, care se poate descompune cu formare de acid fluorhidric (HF). Acidul bromosulfonic (BrSO2OH) este instabil și se descompune la punctul de topire (aproximativ 8 °C), formând Br2, SO2 și acid sulfuric (H2SO4). Acidul iodosulfonic (ISO2OH) nu este bine caracterizat din punct de vedere al proprietăților.
Aplicații Acidul clorosulfonic este utilizat pe scară largă în industria chimică, în special ca agent de sulfonare și clorosulfonare. Este implicat în producerea detergenților sintetici (de exemplu, sulfați ai alchenelor și ai uleiurilor nesaturate), a polioxipropilen glicolilor, a alcoolilor cu catenă lungă, precum și a diverșilor compuși aromatici substituiți.
De asemenea, este utilizat în sinteza compușilor farmaceutici, pesticidelor, dezinfectanților, coloranților și pigmenților, precum și a îndulcitorilor artificiali (de exemplu, zaharină).R.J. Cremlyn, Chlorosulfonic Acid, p. 5
Producția de medicamente Acidul clorosulfonic este utilizat în sinteza sulfamidelor, o clasă importantă de compuși antibacterieni. După descoperirea proprietăților antibacteriene ale acestora în 1935, au fost sintetizate numeroase derivați, reprezentând primele medicamente antibacteriene sintetice utilizate pe scară largă.Cremlyn, op. cit., p. 235
Substanțe agrochimice Compusul este utilizat în sinteza pesticidelor și a altor produse agrochimice, unde reacțiile de sulfonare joacă un rol esențial în modificarea proprietăților chimice ale moleculelor active.
Îndulcitori sintetici Zaharina (sulfimidă o-benzoică) este unul dintre primii îndulcitori artificiali produși industrial, având o putere de îndulcire mult mai mare decât cea a zaharozei. A fost descoperită în 1879 de către Ira Remsen și Constantin Fahlberg.
Detergenți Acidul clorosulfonic este utilizat pentru obținerea agenților tensioactivi anionici, esențiali în formularea detergenților moderni.
Vopseluri și pigmenți Este implicat în sinteza coloranților și pigmenților, unde reacțiile de sulfonare contribuie la creșterea solubilității și stabilității compușilor.
Polimeri Compusul este utilizat în modificarea chimică a polimerilor și în sinteza unor materiale speciale, prin introducerea grupărilor sulfonice în structura acestora.
Aspecte de sănătate și securitate miniatura|100px|stanga|Simbol pentru substanțe iritante miniatura|100px|stanga|Simbol pentru substanțe toxice miniatura|100px|stanga|Simbol pentru substanțe periculoase pentru mediu
Acidul clorosulfonic este o substanță extrem de corozivă și periculoasă, prezentând riscuri semnificative pentru sănătatea umană și pentru mediu în timpul manipulării, transportului și depozitării. Deversările accidentale pot conduce la incendii, explozii și contaminarea solului, apei și aerului.Risk Management for Hazardous Chemicals, Vol. 1, p. 628
Impact asupra mediului Expunerea la acid clorosulfonic poate avea efecte ecologice acute, inclusiv moartea organismelor acvatice, a păsărilor și a altor animale, precum și inhibarea creșterii plantelor. Aceste efecte pot apărea în interval de 2–4 zile de la expunere.Vincoli, op. cit., p. 629
Datele privind efectele pe termen lung asupra ecosistemelor sunt limitate.
Efecte asupra sănătății Acidul clorosulfonic reacționează violent cu apa, generând vapori toxici de acid clorhidric și acid sulfuric. Acești vapori sunt puternic iritanți pentru ochi, piele, mucoase și sistemul respirator.
Contactul cu ochii poate provoca arsuri severe și, în lipsa tratamentului imediat, pierderea permanentă a vederii. Contactul cu pielea determină arsuri chimice și dermatită de contact.