حمض سحري

_{على الرغم من} أن النسبة المولية 1:1 بين _HSO₃F و SbF₅ تُنتج _أيونات الكربونيوم على النحو الأمثل، فقد تم توثيق تأثيرات النظام عند نسب مولية أخرى. عندما تكون نسبة SbF₅ : HSO₃F أقل من _0.2 ، فإن التوازنين التاليين، اللذين تم تحديدهما بواسطة مطيافية الرنين النووي المغناطيسي للفلور ^-19 ، هما الأكثر بروزًا في المحلول:

(في كلا التركيبين، يكون للكبريت تنسيق رباعي الأوجه، وليس مستوياً. ويمكن تمثيل الروابط المزدوجة بين الكبريت والأكسجين بشكل أدق كروابط أحادية، مع شحنات سالبة رسمية على ذرات الأكسجين وشحنة موجبة اثنين رسمية على الكبريت. وستكون لذرات الأنتيمون أيضاً شحنة سالبة واحد.)

في الشكل أعلاه، يُمثل التوازن الأول 80% من بيانات الرنين النووي المغناطيسي، بينما يُمثل التوازن الثاني حوالي 20%. مع ازدياد نسبة المركبين من 0.4 إلى 1.4، تظهر إشارات جديدة في طيف الرنين النووي المغناطيسي وتزداد شدتها مع ازدياد تركيز _SbF₅ . كما تنخفض دقة الإشارات نتيجةً لزيادة لزوجة النظام السائل. ^{[ 6 ]}

تُعتبر جميع الأحماض المنتجة للبروتونات ، والتي تزيد قوتها عن حمض الكبريتيك بنسبة 100%، أحماضًا فائقة، وتتميز بقيم منخفضة لدالة حموضة هاميت. على سبيل المثال، حمض الكبريتيك (H₂SO₄ ₎ له دالة حموضة هاميت ₍ H₀ ) _تساوي -12، وحمض البيركلوريك ( HClO₄ ₎ له دالة حموضة هاميت تساوي -13، ونظام الحمض السحري 1:1 ( _HSO₃F · SbF₅ ₎ هو -23. ويُعتقد أن حمض الفلوروأنتيمونيك ، وهو أقوى _{حمض فائق معروف، تصل قيم} H₀ المُستنبطة إلى -28.  

يتميز الحمض الفائق بانخفاض نوكليوفيلية، مما يسمح بزيادة استقرار الكربوكاتيونات في المحلول. يمكن ملاحظة الكربوكاتيون ثلاثي التكافؤ "الكلاسيكي" في الوسط الحمضي، وقد وُجد أنه مستوٍ ومهجن sp² ^. ولأن ذرة الكربون محاطة بستة إلكترونات تكافؤ فقط، فهي تعاني من نقص إلكتروني كبير وميل كبير للإلكترونات. يسهل وصفها باستخدام تمثيل لويس النقطي لاحتوائها على روابط أحادية ثنائية الإلكترون فقط مع ذرات الكربون المجاورة. يمكن أيضًا تكوين العديد من كاتيونات السيكلوألكيل الثالثية في المحاليل فائقة الحموضة. أحد الأمثلة على ذلك هو كاتيون 1-ميثيل-1-سيكلوبنتيل، الذي يتكون من كل من السيكلوبنتان والسيكلوهكسان. في حالة السيكلوهكسان ، يتكون كاتيون السيكلوبنتيل من عملية التماثل بين الكربوكاتيون الثانوي والكربوكاتيون الثالثي الأكثر استقرارًا. كما لوحظ وجود أيونات سيكلوبروبيل كاربينيوم، وكاتيونات ألكينيل، وكاتيونات أرينيوم.

مع ازدياد استخدام نظام حمض ماجيك، لوحظت أيونات كربونية ذات تنسيق أعلى. لا يمكن تمثيل الأيونات الكربونية خماسية التنسيق، والتي تُوصف أيضًا بالأيونات غير الكلاسيكية ، باستخدام روابط ثنائية الإلكترون ثنائية المركز فقط، بل تتطلب روابط ثنائية الإلكترون ثلاثية المركز (أو أكثر). في هذه الأيونات، ينتشر إلكترونان على أكثر من ذرتين، مما يجعل مراكز هذه الروابط فقيرة بالإلكترونات لدرجة تمكّن الألكانات المشبعة من المشاركة في التفاعلات المحبة للإلكترونات. ^{[ 3 ]} وقد أثار اكتشاف الأيونات الكربونية فائقة التنسيق جدل الأيونات غير الكلاسيكية في خمسينيات وستينيات القرن العشرين. نظرًا لبطء زمن الرنين النووي المغناطيسي للبروتون ( ^1H -NMR)، فمن المرجح أن الشحنات الموجبة سريعة التوازن على ذرات الهيدروجين لا تُكتشف. مع ذلك، استُخدمت مطيافية الأشعة تحت الحمراء ، ومطيافية رامان ، والرنين النووي المغناطيسي للكربون ^-13 (13C NMR) لدراسة أنظمة الأيونات الكربونية الجسرية. وقد لوحظ وجود كاتيون مثير للجدل، وهو كاتيون النوربورنيل، في العديد من الأوساط، بما في ذلك حمض ماجيك. ^{[ 7 ]}

ذرة الكربون الرابطة في مجموعة الميثيلين خماسية التناسق، بثلاث روابط ثنائية الإلكترون ثنائية المركز، ورابطة واحدة ثنائية الإلكترون ثلاثية المركز مع مدارها المتبقي sp³ ^. وقد أظهرت حسابات ميكانيكا الكم أيضًا أن النموذج الكلاسيكي ليس حدًا أدنى للطاقة. ^{[ 7 ]}

يستطيع الحمض السحري بروتنة الألكانات . فعلى سبيل المثال، يتفاعل الميثان لتكوين أيون CH⁺⁵ عند درجة حرارة 140 ^درجة  مئوية والضغط الجوي، مع العلم أنه يتم أيضاً تكوين بعض أيونات الهيدروكربون ذات الأوزان الجزيئية الأكبر كمنتجات ثانوية. ويُعد غاز الهيدروجين منتجاً ثانوياً آخر للتفاعل _.

في وجود FSO₃D بدلاً من FSO₃H _، تبين أن الميثان يستبدل ذرات الهيدروجين بذرات الديوتيريوم، وينطلق HD بدلاً من H₂ . وهذا دليل يشير إلى أن الميثان في هذه التفاعلات قاعدة بالفعل، ويمكنه استقبال بروتون من الوسط الحمضي لتكوين CH₅⁺ . ثم يُنزع بروتون _من هذا الأيون ، مما _يفسر تبادل الهيدروجين، أو يفقد جزيء هيدروجين لتكوين CH₃⁺ ^{، أيون} _{الكربونيوم} . هذا النوع شديد التفاعل، ويمكنه إنتاج العديد من الكربوكاتيونات الجديدة، كما هو موضح ^{أدناه . [ 8} _]

تتفاعل الألكانات الأكبر حجماً، مثل الإيثان، أيضاً مع حمض الستريك، حيث تتبادل ذرات الهيدروجين وتتكثف لتكوين كاتيونات كربونية أكبر، مثل النيوبنتان البروتوني. ثم ينشطر هذا الأيون عند درجات حرارة أعلى، ويتفاعل لإطلاق غاز الهيدروجين وتكوين كاتيون ثالثي الأميل عند درجات حرارة أقل.

انطلاقاً من هذا، يقترح جورج أولاه التوقف عن اعتبار مصطلحي "الألكان" و"البارافين" مترادفين. فكلمة "بارافين" مشتقة من الكلمة اللاتينية "parum affinis"، والتي تعني "فاقد الألفة". ويقول: "مع ذلك، فإننا نقدم هذه التوصية بشيء من الحنين إلى الماضي، إذ حافظت "الغازات الخاملة" على "نبلها" على الأقل مع ازدياد وضوح تفاعلها الكيميائي، لكن الإشارة إلى "الهيدروكربونات النبيلة" تبدو غير مناسبة". ^{[ 8 ]}

يحفز الحمض السحري تفاعلات الانشطار وإعادة الترتيب للهيدروبروكسيدات الثلاثية والكحولات الثلاثية. وقد سمحت طبيعة التجارب المستخدمة لتحديد الآلية، وتحديدًا إجراؤها في وسط حمضي فائق، بملاحظة وسائط الكربوكاتيون المتكونة. وقد تبين أن الآلية تعتمد على كمية الحمض السحري المستخدم. فعند الاقتراب من التكافؤ المولي، يُلاحظ انشطار الرابطة O–O فقط، ولكن مع زيادة فائض الحمض السحري، يتنافس انشطار الرابطة C–O مع انشطار الرابطة O–O. ومن المرجح أن الحمض الزائد يُعطل بيروكسيد الهيدروجين المتكون في التحلل غير المتجانس للرابطة C–O. ^{[ 9 ]}

يحفز حمض الفيروليك أيضًا عملية الهيدروكسيل الإلكتروفيلي للمركبات العطرية باستخدام بيروكسيد الهيدروجين، مما يؤدي إلى تحضير منتجات أحادية الهيدروكسيل بنسبة عالية. توجد الفينولات في محاليل الأحماض الفائقة على شكل مركبات بروتونية بالكامل، وعند إنتاجها في التفاعل، تصبح غير نشطة تجاه المزيد من الهجوم الإلكتروفيلي. بيروكسيد الهيدروجين البروتوني هو عامل الهيدروكسيل النشط. ^{[ 10 ]}

يمكن تحفيز أكسدة الألكانات بواسطة محلول حمض سحري من SO₂ClF _بوجود الأوزون . تشبه الآلية آلية تحلل الألكانات بالبروتونات، مع إدخال إلكتروفيلي في الروابط سيجما الأحادية للألكان. تتخذ الحالة الانتقالية لمركب الهيدروكربون-الأوزون شكل أيون خماسي التناسق. ^{[ 11 ]}

وتخضع الكحولات والكيتونات والألدهيدات أيضًا لعملية الأكسدة عن طريق الإدخال الإلكتروفيلي. ^{[ 12 ]}