有機磺酸

有機磺酸 (Sulfonic Acid)
國立新莊高級中學化學科陳偉民退休教師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

有機磺酸通常指通式為R-S(=O)₂-OH的有機酸類，其中R通常是烴基支鏈。當R為氫時，磺酸一詞指此類化合物中特定的一種酸，也是此類化合物命名的由來。

磺酸（H-S(=O)₂-OH）
磺酸（如圖一）是亞硫酸HO-S(=O)-OH的互變異構物（tautomer），但磺酸較不穩定，會迅速變成亞硫酸。

互變異構物是化合物經由一種稱為互變異構作用的化學反應（如圖二），互相變換而產生的異構物。通常這種反應是由氫原子或質子遷移所造成的，並伴隨著單鍵與相鄰雙鍵互相切換。在溶液中，若發生互變異構作用，互變異構物之間將達成平衡。互變異構物之間的精確比例決定於溫度、溶劑與pH等數項因素。

磺酸分子中，與硫鍵結的氫原子若被有機原子團取代，其衍生物較為安定，稱為有機磺酸。

有機磺酸R-S(=O)₂-OH
有機磺酸的酸性比對應的羧酸強得多。例如三氟甲基磺酸，CF₃SO₃H，其酸性強到可以把硫酸質子化。

有機磺酸及其鹽類（磺酸鹽）運用非常廣泛，可製成各種不同的產品，如清潔劑、磺胺藥（某類抗菌藥物）、陰離子交換樹脂（可淨化水質）與染料。有機磺酸最重要的用途為製造清潔劑，最廣泛使用的清潔劑就是直鏈烷基苯磺酸鈉。磺化的聚合物，尤其是磺化聚苯乙烯，可作為離子交換樹脂，在水質淨化、離子交換色層分析及金屬分離技術等方面均很有用。

因為磺酸及磺酸鹽官能基的緣故，有機磺酸有吸水性，而且有一特殊的傾向，可與蛋白質和碳水化合物緊密結合。基於此一理由，許多可溶於水的染料、酸鹼指示劑都是有機磺酸或分子中含有磺基原子團的化合物。

有機磺酸可以作為催化劑，或許多不同產品的中間產物。不論是磺化的聚合物或簡單芳香族磺酸，特別是對甲苯磺酸，常在酯化及水解等有機反應中，作為酸性催化劑。最簡單的有機磺酸是甲磺酸，CH₃SO₂OH（如圖三），是有機化學中常用的試劑。

天然有機磺酸
有機磺酸大多為人工合成，但存在於膽汁裡的牛磺酸（taurine，NH₂CH₂CH₂SO₃H）為例外。

人工合成有機磺酸
大多數脂肪族磺酸是由硫醇氧化而來。芳香族磺酸比脂肪族磺酸更為重要。令芳香族化合物與硫酸或發煙硫酸混合，經由磺化反應，可製備芳香族磺酸。適當改變反應條件，可令芳香烴的磺化反應進行逆反應。讓芳香族磺酸與過熱的水蒸氣反應，可脫去SO₃H基。此一製程可用以純化芳香烴。芳香族磺酸及其衍生物，尤其是金屬鹽類，是重要的工業藥劑。

磺酯
磺酯是指通式為R-SO₂-OR的某類有機化合物。三氟甲基磺酸甲酯（如圖四），屬磺酯的一種，在脂肪族親核取代反應中是良好的脫離基。

有機鹵磺酸 (Sulfonyl halides)
當磺酸的官能基以單鍵與鹵素原子鍵結，就形成鹵磺酸原子團。鹵磺酸的通式為R-SO₂-X，其中X是鹵素。有機鹵磺酸（如甲苯基磺酸氯）為有機合成中醇類的良好保護基，可使醇上的羥基轉換成磺酸酯而達到保護醇的目的（如圖五）。