Sulfonsäuren

Sulfonsäuren und Sulfonate
Sulfonsäure
Sulfonsäureester
Sulfonsäuresalze (hier Natriumsalz)
R, R¹ und R² sind Organylgruppen. Die funktionellen Gruppen sind blau markiert.

Sulfonsäuren sind organische Schwefelverbindungen mit der allgemeinen Struktur R–SO₂–OH, wobei R ein organischer Rest ist. Ihre Salze und Ester mit der allgemeinen Struktur R–SO₂–O⁻ und R¹–SO₂–O–R² heißen Sulfonate.

Sulfonsäuren und die ihnen zugehörigen Salze und Ester werden in zwei Gruppen eingeteilt: die aliphatischen Sulfonsäuren bzw. Alkansulfonsäuren oder -sulfonate und die aromatischen Sulfonsäuren bzw. Arensulfonsäuren oder -sulfonate.

Gewinnung und Darstellung

Für die technische Herstellung der Sulfonsäuren gibt es mehrere Synthesewege, von denen hier beispielhaft einige dargestellt werden.

Ein Gemisch aus Alkansulfonsäuren entsteht durch die Einwirkung von Schwefeldioxid und Sauerstoff auf höhere Alkane in Gegenwart von Radikalbildnern.

Aliphatische und aromatische Sulfonsäuren können durch Oxidation von Thiolen synthetisiert werden.

Oxidation von Thiolen mit Luftsauerstoff.

Durch nucleophile Substitutionen werden aus Halogenalkanen und Natriumsulfit die entsprechenden Sulfonsäuresalze dargestellt.

Umsetzung von Halogenalkanen mit Natriumsulfit.

Arensulfonsäuren werden durch die Sulfonierung von Arenen hergestellt. Es findet eine elektrophile aromatische Substitution statt. Das elektrophile Reagens Schwefeltrioxid liegt in konzentrierter Schwefelsäure im Gleichgewicht vor.

Verwendung und Vorkommen

Natriumsalze der Sulfonsäurederivate werden oft als anionische Tenside in Reinigungsmitteln eingesetzt. Von den Alkylbenzolsulfonaten (ABS) mit der allgemeinen Formel C_nH_2n+1–C₆H₄–SO₃⁻ Na⁺ war der wichtigste Vertreter bis in die 1960er-Jahre das Tetrapropylenbenzolsulfonat (TBS). Es hatte in den 1950er-Jahren die Seife als Tensid weitgehend verdrängt. TBS wird allerdings (wie viele Vertreter der stark verzweigten ABS) im Abwasser nur schlecht abgebaut, was u.a. zu Schaumbergen auf Flüssen führte. Deshalb wurde es ab 1964 durch sogenannte lineare Alkylbenzolsulfonate (LAS) abgelöst, die seitdem die wichtigsten Tenside in der Waschmittelchemie sind. Praktisch handelt es sich dabei häufig um sekundäre Alkylbenzolsulfonate, eines der am meisten verwendeten ist Natriumdodecylbenzolsulfonat. Weitere sind lineare (sekundäre) Alkylsulfonate (SAS).

Sekundäre Alkylsulfonsäureester des Phenols finden Verwendung als Weichmacher für PVC, PUR und Kautschuke.

Taurin ist als Aminosulfonsäure eine der wenigen natürlich vorkommenden Sulfonsäuren.

Taurin
Tetrapropylenbenzolsulfonat (TBS)
Natriumdodecylbenzolsulfonat, Beispiel aus dem Isomerengemisch.
Mesamoll-Weichmacher
p-Toluolsulfonsäure ist ein wichtiges Reagenz in der organischen Synthese.

Eine spezielle Anwendung finden Polymere mit Sulfonatgruppen bei der Wasseraufbereitung, wo sie in Ionenaustauschern für Kationen eingesetzt werden.

Des Weiteren sind Sulfonsäuren und ihre Derivate in Gerbstoffen und Arzneimitteln enthalten. Auch viele Farbstoffe tragen Sulfonatgruppen, um eine hohe Wasserlöslichkeit zu erreichen.

Eigenschaften

Alkansulfonsäuren sind im Allgemeinen viskose Flüssigkeiten, wobei die Arensulfonsäuren hygroskopische Kristalle bilden. Diese lösen sich leicht in Wasser und können durch Natriumchlorid ausgesalzen werden. Einige Sulfonsäuren bilden stabile, kristalline Hydrate. Einfache Alkansulfonsäuren wie z.B. die Methansulfonsäure sind farblose Flüssigkeiten.

Im Gegensatz zu den Estern der Schwefelsäure liegen hier R–S- und nicht R–O–S-Bindungen vor. Sie unterscheiden sich auch von den Sulfonen (R–SO₂–R'), die über keine Hydroxygruppe verfügen. Sulfonsäuren sind stärkere Säuren als Carbonsäuren, weil die Sulfongruppe einen stärkeren elektronenziehenden Effekt auf die Hydroxygruppe ausübt als die Carbonylgruppe, und das Proton damit leichter übertragen wird. Trifluormethansulfonsäure ist sogar stärker als Perchlorsäure und gehört damit zu der Gruppe der Supersäuren.

Reaktionen

Nucleophile Substitution

Arensulfonate können bei Temperaturen von 200 bis 300 °C durch eine nucleophile Substitution in Amine, Phenole, Carbonsäuren oder Nitrile umgewandelt werden.

Salzbildung

Sulfonsäuren sind wie Schwefelsäure starke Säuren, die mit Metallhydroxiden Salze bilden. Im Gegensatz zu den entsprechenden Sulfaten (Salze der Schwefelsäure) lösen sich aber Calcium-, Barium- und Blei(II)-sulfonate gut in Wasser.

Desulfonierung von Arensulfonsäuren

Die Sulfonierung von Arenen zur Herstellung von Arensulfonsäuren ist eine reversible Reaktion. Die bei der Herstellung angegebene Benzolsulfonsäure wird beispielsweise durch verdünnte Salzsäure bei Temperaturen von 150 bis 200 °C zu Benzol hydrolysiert:

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de