Цезий уксуснокислый (цезий ацетат)

Ацетат цезия (уксуснокислый цезий) — ионное соединение цезия и уксусной кислоты с химической формулой CH₃COOCs (брутто-формула C₂H₃CsO₂). Регистрационный номер CAS 3396-11-0, номер по европейскому реестру EINECS 222-248-0. Внешне представляет собой белый или бесцветный кристаллический порошок. Вещество относится к классу органических солей щелочных металлов и широко применяется в органическом синтезе, аналитической химии и нефтегазовой отрасли.

Физические свойства ацетата цезия

Основные физические характеристики уксуснокислого цезия приведены в таблице ниже. Данные взяты из авторитетных химических справочников: ChemicalBook (CAS 3396-11-0), Wiley (e-EROS Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis) и IUPAC Chemical Data Series.

Ацетат цезия — одна из немногих солей цезия, которую стабильно поставляют в виде порошка. Кристаллическая решётка относится к кубической сингонии. При нагревании выше ~190 °C соединение не плавится в классическом смысле, а начинает термически разлагаться с выделением газообразных продуктов (CO, CO₂). Для сравнения: температура плавления хлорида цезия составляет 645 °C, а карбоната цезия — 610 °C, что объясняется большей термической устойчивостью неорганических анионов по сравнению с ацетатной группой.

Растворимость уксуснокислого цезия в воде

Ацетат цезия обладает исключительно высокой растворимостью в воде — это одна из наиболее растворимых известных солей. По данным «Справочника по растворимости» (АН СССР, 1961, т. 1, кн. 1, с. 211), растворимость составляет:

Это означает, что при комнатной температуре в 100 г воды можно растворить более 1 кг ацетата цезия. Такая аномально высокая растворимость обусловлена большим ионным радиусом цезия (167 пм) — крупный катион создаёт слабую кристаллическую решётку, что облегчает диссоциацию в полярном растворителе.

Помимо воды, вещество хорошо растворимо в диметилсульфоксиде (ДМСО). В водном растворе ацетат цезия подвергается слабому гидролизу, образуя слабощелочную среду. Высокая растворимость делает это соединение ценным источником ионов цезия для реакций в водных и полярных органических средах.

Химические свойства ацетата цезия

Уксуснокислый цезий представляет собой типичную соль сильного основания (CsOH) и слабой кислоты (CH₃COOH). Основные химические особенности соединения:

Гидролиз

В водном растворе подвергается гидролизу по аниону с образованием слабощелочной среды. Величина pH раствора при концентрации 50 г/л и температуре 25 °C находится в пределах 5,0–9,0 (по данным ChemicalBook).

Термическое разложение

При нагревании выше ~190 °C ацетат цезия разлагается по сложному многоступенчатому механизму, характерному для ацетатов щелочных металлов. Основные газообразные продукты разложения — монооксид углерода (CO) и диоксид углерода (CO₂). Твёрдый остаток — оксид цезия (Cs₂O).

Основные свойства аниона

Ацетат-ион CH₃COO⁻ проявляет мягкие основные свойства и низкую нуклеофильность. Именно это сочетание делает ацетат цезия эффективным реагентом в реакциях органического синтеза, где требуется основание, не мешающее нуклеофильному замещению.

Получение цезиевой соли уксусной кислоты

В природе ацетат цезия не встречается. Его получают взаимодействием уксусной кислоты с различными соединениями цезия. Наиболее распространённые лабораторные и промышленные методы:

Из карбоната цезия

Наиболее распространённый метод — растворение карбоната цезия (Cs₂CO₃) в сухом метаноле с последующим добавлением уксусной кислоты. Метанол удаляют при пониженном давлении, получая белый порошок. Очистку проводят азеотропной дистилляцией с сухим толуолом и вакуумной сушкой в течение 4–5 часов.

Из гидроксида цезия

Реакция нейтрализации гидроксида цезия (CsOH) уксусной кислотой:

CsOH + CH₃COOH → CH₃COOCs + H₂O

Применение ацетата цезия в промышленности и науке

Уксуснокислый цезий находит применение в нескольких специализированных областях. Ниже рассмотрены подтверждённые направления использования.

Органический синтез

Главная область применения — органическая химия. Ацетат цезия используется в следующих типах реакций:

Реакция Перкина. При конденсации ароматических альдегидов с ангидридами жирных кислот замена обычно используемого ацетата натрия на ацетат цезия позволяет повысить выход непредельных коричных кислот до 10 раз. Такая эффективность объясняется более высокой растворимостью соли цезия в органических средах и лучшей стабилизацией переходного состояния крупным катионом Cs⁺.

Инверсия стереохимии вторичных спиртов. Вторичный спирт превращают в хорошую уходящую группу (например, мезилат), после чего проводят S_N2-замещение ацетатом цезия. Полученный O-ацетат имеет инвертированную стереохимию и может быть гидролизован обратно до спирта с обращённой конфигурацией.

Металл-катализируемые реакции сочетания. В реакциях Сузуки, Хека и Соногаширы ацетат цезия применяется как добавка для повышения выхода продуктов. Способность крупного катиона Cs⁺ активировать основания без сильного координирования с каталитическим центром обеспечивает мягкие и эффективные условия.

Аналитическая химия

Ацетат цезия используется как качественный реагент при определении солей тяжёлых металлов в растворах и материалах.

Нефтегазовая отрасль

В качестве альтернативы формиату цезия используется в буровых растворах с высокой плотностью. Высокая молярная масса катиона цезия позволяет получать плотные растворы без применения токсичных суспензий (например, на основе бромида цинка).

Материаловедение и фотовольтаика

Ацетат цезия исследуется как прекурсор при изготовлении перовскитных солнечных элементов. Введение небольших количеств ионов цезия в перовскитную структуру повышает стабильность и эффективность фотоэлектрических преобразователей.

Катализ на основе цеолитов

Используется для модифицирования каталитической активности мезопористых молекулярных сит типа MCM-41 и MCM-48 путём ионного обмена с катионами цезия и импрегнирования их поверхности.

Токсикологическая характеристика и безопасность

По данным паспорта безопасности (SDS, Thermo Fisher), ацетат цезия относится к веществам с низкой токсичностью. Рейтинг по шкале NFPA: здоровье — 1, воспламеняемость — 0, нестабильность — 0. Тем не менее при работе с веществом следует соблюдать стандартные меры предосторожности:

При термическом разложении выделяются раздражающие и токсичные газы (CO, CO₂). Утилизация отходов проводится в соответствии с местными нормативными требованиями для химических отходов.

Хранение и транспортировка уксуснокислого цезия

Поскольку вещество гигроскопично, хранить его необходимо в герметично закрытой таре, в сухом прохладном помещении с хорошей вентиляцией. Рекомендуется хранение под инертной атмосферой (аргон, азот). Упаковка — полиэтиленовые пакеты, помещённые в алюминиевую вакуумированную оболочку, или герметичные банки из стекла или пластика.

Транспортировка не требует специальных условий для опасных грузов, однако необходимо исключить контакт с влагой. При длительном пребывании на воздухе порошок поглощает влагу, что может привести к комкованию и изменению физических свойств.

Формы поставки ацетата цезия

Уксуснокислый цезий поставляется в следующих формах и степенях чистоты:

Фасовка — от лабораторных навесок (100 г) до промышленных партий (25 кг и более). Объёмы, условия и сроки поставки согласуются индивидуально.