マジックアシッド

HSO₃FとSbF₅のモル比が1:1の場合に_{カルボニウムイオンが最もよく生成されるが}、他のモル比における系の影響も報告されている。SbF₅ ：HSO₃F_の比が0.2未満の場合、¹⁹F NMR分光法によって決定された以下の2つの平衡が_溶液^中で最も顕著である。

（これらの構造のどちらにおいても、硫黄原子は平面ではなく四面体配位をとっています。硫黄原子と酸素原子間の二重結合は、より正確には単結合として表され、酸素原子には形式的に負の電荷、硫黄原子には形式的にプラス2の電荷が与えられます。アンチモン原子にも形式的にマイナス1の電荷が与えられます。）

上記の図では、平衡IがNMRデータの80%を占め、平衡IIが約20%を占めています。2つの化合物の比率が0.4から1.4に増加すると、新しいNMR信号が現れ、SbF5の濃度^の増加とともに強度が上昇します。液体系の粘度が増加するため、信号の分解能も低下します。^[ ₆ ^]

100%硫酸よりも強いプロトン生成酸はすべて超酸とみなされ、ハメット酸度関数の値が低いことが特徴です。例えば、硫酸（_H₂SO₄）_のハメット酸度関数H₀は_-12、過塩素酸（HClO₄ _）のハメット酸度関数は-13、1:1マジック酸系（HSO₃F・SbF₅）のハメット酸度関数は-23です_。既知の超酸の中_で最も強いフルオロアンチモン酸は、外挿H₀値_が-28まで低下すると考えられています。  

マジック酸は求核性が低いため、溶液中のカルボカチオンの安定性が向上します。「古典的な」三価カルボカチオンは酸性媒体中で観察され、平面構造でsp2混成軌道であることがわかっています^。炭素原子は6個の価電子しか囲まれていないため、電子不足で求電子性が非常に高いです。隣接する炭素原子との結合は2電子単結合のみであるため、ルイス構造式で容易に記述できます。多くの第三級シクロアルキルカチオンも超酸性溶液中で生成されます。その一例として、シクロペンタンとシクロヘキサンの両方の前駆体から生成される1-メチル-1-シクロペンチルカチオンがあります。シクロヘキサンの場合、シクロペンチルカチオンは、第二級カルボカチオンがより安定な第三級カルボカチオンに異性化することによって生成されます。シクロプロピルカルベニウムイオン、アルケニルカチオン、およびアレーニウムカチオンも観察されています。

しかし、マジック酸システムの使用が広まるにつれて、より高配位のカルボカチオンが観察されるようになった。非古典的イオンとも呼ばれる五配位カルボカチオンは、2電子2中心結合のみを使用して表現することはできず、代わりに2電子3（またはそれ以上）中心結合を必要とする。これらのイオンでは、2つの電子が2つ以上の原子に非局在化され、これらの結合中心が非常に電子不足になるため、飽和アルカンが求電子反応に参加できるようになる。^{[ 3 ]超配位カルボカチオンの発見は、1950年代と60年代の非古典的イオン論争を煽った。1H} -NMRの遅い時間スケールのため、水素原子上の急速に平衡化する正電荷は検出されない可能性が高い。しかし、IR分光法、ラマン分光法、および^13C NMRは、架橋カルボカチオンシステムの調査に使用されてきた。議論の的となっているカチオンの一つであるノルボルニルカチオンは、マジック酸を含むいくつかの媒体で観察されている。^{[ 7 ]}

架橋メチレン炭素原子は五配位であり、3つの2電子2中心結合と、残りのsp3軌道との1つの2電子3中心結合を持つ^。量子力学的計算でも、古典モデルはエネルギー最小ではないことが示されている。^{[ 7 ]}

魔法の酸はアルカンをプロトン化する能力を持つ。例えば、メタンは140℃、大気圧下で反応してCH⁺⁵イオン_{を生成するが、副生成物としてより分子量の大きい炭化水素イオン}^も 生成される。水素ガスも反応の副生成物の一つである。

FSO ₃ HではなくFSO ₃ Dが存在する場合、メタンは水素原子を重水素原子と交換し、H ₂ではなく HD が放出されることが示されています。これは、これらの反応においてメタンが実際に塩基であり、酸性媒体からプロトンを受け取ってCH ⁺ ₅を形成できることを示唆する証拠です。このイオンはその後脱プロトン化され、水素交換を説明するか、水素分子を失ってCH ⁺ ₃ – カルボニウムイオンを形成します。この種は非常に反応性が高く、以下に示すいくつかの新しいカルボカチオンを生成する可能性があります。^{[ 8 ]}

エタンなどのより大きなアルカンもマジック酸中で反応性を示し、水素原子の交換と縮合反応を起こして、プロトン化ネオペンタンなどのより大きなカルボカチオンを形成する。このイオンは高温で開裂し、低温で反応して水素ガスを放出し、t-アミルカチオンを形成する。

ジョージ・オラーは、この点に関して、「アルカン」と「パラフィン」という名称を同義語として扱うべきではないと提言している。「パラフィン」という言葉は、ラテン語の「parum affinis」（親和性に欠ける）に由来する。彼は、「しかしながら、この提言を行うのは多少の懐かしさを伴う。なぜなら、『不活性ガス』は少なくとも化学反応性が明らかになった後も『貴重性』を維持したが、『貴重炭化水素』と呼ぶのは不適切と思われるからである」と述べている。^{[ 8 ]}

マジック酸は、第三級ヒドロペルオキシドと第三級アルコールの開裂-転位反応を触媒する。メカニズムを決定するために使用された実験の性質、すなわち、それらが超酸性媒体で行われたという事実により、生成されたカルボカチオン中間体を観察することができた。メカニズムは使用するマジック酸の量に依存することが判明した。モル当量に近い場合、O–O開裂のみが観察されるが、マジック酸の過剰量が増加すると、C–O開裂がO–O開裂と競合する。過剰な酸は、C–Oヘテロリシスで生成された過酸化水素を不活性化すると考えられる。^{[ 9 ]}

マジック酸は過酸化水素による芳香族化合物の求電子水酸化も触媒し、モノ水酸化生成物を高収率で生成する。フェノールは超酸溶液中では完全にプロトン化された種として存在し、反応で生成されると、その後の求電子攻撃に対して不活性化される。プロトン化された過酸化水素が活性な水酸化剤である。^{[ 10 ]}

アルカンの酸素化は、オゾンの存在下でマジック酸であるSO₂ClF溶液_によって触媒される。そのメカニズムはアルカンのプロトリシスと同様で、アルカンの単σ結合への求電子挿入が起こる。炭化水素-オゾン複合体の遷移状態は五配位イオンの形をとる。^{[ 11 ]}

アルコール、ケトン、アルデヒドも求電子挿入によって酸素化される。^{[ 12 ]}