Sulfonsäuren

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.<ref name="Hauptmann"> Siegfried Hauptmann: Organische Chemie. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1985, ISBN 3-87144-902-4, S. 480–482.</ref>

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

Sulfoxidation von Alkanen.

Aliphatische 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.

Sulfonierung von Arenen

Verwendung und Vorkommen

Taurin ist als Aminosulfonsäure eine der wenigen natürlich vorkommenden Sulfonsäuren. Die Natriumsalze der Sulfonsäuren werden oft als anionische Tenside in Reinigungsmitteln eingesetzt.<ref name="Buddrus">Joachim Buddrus: Grundlagen der Organischen Chemie. 4. Auflage. de Gruyter Verlag, Berlin 2011, ISBN 978-3-11-024894-4, S. 97.</ref> Von diesen 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. Jedoch fand man heraus, dass TBS (wie viele Vertreter der stark verzweigten ABS) im Abwasser nur schlecht abgebaut werden kann; deshalb wurde es ab 1964 durch sogenannte lineare Alkylbenzolsulfonate (LAS) abgelöst, die seit Jahren die wichtigsten Tenside in der Waschmittel­chemie sind. Praktisch handelt es sich jedoch weniger um lineare, sondern eher um sekundäre Alkylbenzolsulfonate. Ein lineares Alkylbenzolsulfonat ist z. B Natriumdodecylbenzolsulfonat. Sekundäre Alkylsulfonsäureester des Phenols finden Verwendung als Weichmacher für PVC, PUR und Kautschuke.

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  Taurin

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  Tetrapropylenbenzolsulfonat (TBS)

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  Natriumdodecylbenzolsulfonat, Beispiel aus dem Isomerengemisch.

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  Mesamoll-Weichmacher

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  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. Alkylbenzolsulfonate, wie Dodecylbenzolsulfonat, werden in Kläranlagen durch Mikroorganismen abgebaut. Des Weiteren sind Sulfonsäuren und ihre Derivate in Gerbstoffen und Arzneimitteln enthalten.<ref name="Hauptmann" /> 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.<ref name="Hauptmann" /> 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.<ref name="Beyer"> Hans Beyer: Lehrbuch der Organische Chemie. S. Hirzel Verlag, Stuttgart/ Leipzig 1998, ISBN 3-7776-0808-4, S. 158–160.</ref>

Reaktionen

Nucleophile Substitution

Arensulfonate können bei Temperaturen von 200 bis 300 °C durch eine nucleophile Substitution in Amine, Phenole,Carbonsäuren oder Nitrile umgewandelt werden.<ref name="Hauptmann" />

Nucleophile Substitution von Arensulfonaten mit verschiedenen Nucleophilen

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.<ref name="Hauptmann" />

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:<ref name="Hauptmann" />

Desulfonierung von Arensulfonsäuren: Elektrophile Substitution der Sulfogruppe durch Protonen

Siehe auch

• Sulfonylgruppe (hier sind beide organischen Reste direkt an den Schwefel gebunden)

• Organoschwefelverbindungen

Einzelnachweise

<references />