Catálise ácida - Acid catalysis

Na esterificação de Fischer catalisada por ácido , o próton se liga aos oxigênios e funciona como um ácido de Lewis para ativar o éster carbonila (linha superior) como um eletrófilo e converte a hidroxila na boa água do grupo de saída (parte inferior esquerda). Ambos reduzem a barreira cinética e aceleram a obtenção do equilíbrio químico .

Na catálise ácida e na catálise básica , uma reação química é catalisada por um ácido ou uma base . Pela teoria ácido-base de Brønsted-Lowry , o ácido é o doador de prótons ( íon hidrogênio , H ⁺ ) e a base é o aceitador de prótons. As reações típicas catalisadas pela transferência de prótons são esterificações e reações aldólicas . Nessas reações, o ácido conjugado do grupo carbonila é um eletrófilo melhor do que o próprio grupo carbonila neutro. Dependendo das espécies químicas que atuam como ácido ou base, os mecanismos catalíticos podem ser classificados como catálise específica e catálise geral . Muitas enzimas operam por catálise geral.

Aplicações e exemplos

Ácidos de Brønsted

A catálise ácida é usada principalmente para reações químicas orgânicas . Muitos ácidos podem funcionar como fontes para os prótons. Ácidos usados ​​para catálise ácida incluem ácido fluorídrico (no processo de alquilação ), ácido fosfórico , ácido toluenossulfônico , poliestireno sulfonato , heteropoliácidos , zeólitos .

Ácidos fortes catalisam a hidrólise e transesterificação de ésteres , por exemplo, para o processamento de gorduras em biodiesel . Em termos de mecanismo, o oxigênio da carbonila é suscetível à protonação, o que aumenta a eletrofilia no carbono da carbonila.

Catalisadores de ácido sólido

Zeolite, ZSM-5 é amplamente utilizado como um catalisador de ácido sólido.

Na química em escala industrial, muitos processos são catalisados ​​por "ácidos sólidos". Os ácidos sólidos não se dissolvem no meio de reação. Exemplos bem conhecidos incluem esses óxidos, que funcionam como ácidos de Lewis: silico-aluminatos ( zeólitas , alumina , silico-alumino-fosfato), zircônia sulfatada e muitos óxidos de metais de transição (titânia, zircônia, nióbia e mais). Esses ácidos são usados ​​no craqueamento . Muitos ácidos de Brõnsted sólidos também são empregues industrialmente, incluindo poliestireno sulfonado , carbono sulfonados, sólido de ácido fosfórico , ácido niico , e hetero polyoxometallates .

Uma aplicação em grande escala é a alquilação , por exemplo, a combinação de benzeno e etileno para dar etilbenzeno . Outra aplicação importante é o rearranjo da oxima de ciclohexanona em caprolactama . Muitos alquilo aminas são preparadas por aminação de álcoois, catalisada por ácidos sólidos. Nessa função, o ácido converte, OH ^- , um grupo abandonante pobre, em um bom. Assim, os ácidos são usados ​​para converter álcoois em outras classes de compostos, como tióis e aminas.

Mecanismo

Dois tipos de catálise ácida são reconhecidos, catálise ácida específica e catálise ácida geral.

Catálise específica

Na catálise ácida específica, o solvente protonado é o catalisador. A taxa de reação é proporcional à concentração das moléculas de solvente protonado SH ⁺ . O próprio catalisador ácido (AH) só contribui para a aceleração da taxa mudando o equilíbrio químico entre o solvente S e AH em favor das espécies SH ⁺ . Esse tipo de catálise é comum para ácidos fortes em solventes polares, como a água.

${\ displaystyle {\ ce {S + AH -> SH + + A-}}}$

Por exemplo, em uma solução tampão aquosa , a taxa de reação para os reagentes R depende do pH do sistema, mas não das concentrações de diferentes ácidos.

${\ displaystyle {\ text {rate}} = - {\ frac {{\ text {d}} [{\ ce {R ^ 1}}]} {{\ text {d}} t}} = k {\ ce {[SH +] [R ^ 1] [R ^ 2]}}}$

Este tipo de cinética química é observada quando o reagente R ¹ está em um equilíbrio rápido com seu ácido conjugado R ¹ H ^+, que passa a reagir lentamente com R ² para o produto da reação; por exemplo, na reação de aldol catalisada por ácido .

Catálise geral

Em geral, a catálise ácida todas as espécies capazes de doar prótons contribuem para a aceleração da taxa de reação . Os ácidos mais fortes são os mais eficazes. As reações em que a transferência de prótons é determinante da taxa exibem catálise ácida geral, por exemplo, reações de acoplamento de diazônio .

${\ displaystyle {\ text {rate}} = - {\ frac {{\ text {d}} [{\ ce {R ^ 1}}]} {{\ text {d}} t}} = k_ {1 } {\ ce {[SH +] [R ^ 1] [R ^ 2]}} + k_ {2} {\ ce {[A ^ 1H] [R ^ 1] [R ^ 2]}} + k_ {3 } {\ ce {[A ^ 2H] [R ^ 1] [R ^ 2]}} + ...}$

Ao manter o pH em um nível constante, mas mudando a concentração do tampão, uma mudança na taxa sinaliza uma catálise ácida geral. Uma taxa constante é evidência de um catalisador ácido específico. Quando as reações são conduzidas em meios não polares, esse tipo de catálise é importante porque o ácido geralmente não é ionizado.

As enzimas catalisam reações usando catálise de ácido geral e de base geral.

Referências