Кислотный катализ

В катализе и основании катализ химической катализируется кислотном кислотой или основанием . реакции Бройнштед -чертовой кислотой -базой теория , кислота - это протон ( ион водорода , h ⁺) донор, а база - акцептор протона. Типичными реакциями, катализируемыми переносом протона, являются эмификации и альдольные реакции . В этих реакциях конъюгатная кислота группы карбонильной является лучшим электрофилом, чем сама нейтральная карбонильная группа. В зависимости от химических видов, которые действуют как кислота или основание, каталитические механизмы могут быть классифицированы как специфический катализ и общий катализ . Многие ферменты работают по общему катализу.

Приложения и примеры

Бренстеды кислоты

Кислотный катализ в основном используется для органических химических реакций. Многие кислоты могут функционировать как источники для протонов. Кислота, используемая для кислотного катализа, включает гидрофлуорическую кислоту (в процессе алкилирования ), фосфорную кислоту , толуенсульфоновую кислоту , полистирол сульфонат , гетерополистые кислоты , цеолиты .

Сильные кислоты катализируют гидролиз и переэтерификацию сложных эфиров , например, для обработки жиров в биодизель . С точки зрения механизма, карбонильный кислород подвержен протонации, что усиливает электрофильность на углероде карбонила.

Твердые кислотные катализаторы

Цеолит, ZSM-5 широко используется в качестве твердого кислотного катализатора.

В химии промышленного масштаба многие процессы катализируются «твердыми кислотами». Твердые кислоты не растворяются в реакционной среде. Хорошо известные примеры включают эти оксиды, которые функционируют как кислоты Льюиса: силико-алюминаты ( цеолиты , глинозем , силико-алюминофосфат), сульфатированные цирконии и многие оксиды переходных металлов (титания, циркония, ниобия и многое другое). Такие кислоты используются в растрескивании . Многие твердые кислоты Brønsted также используются в промышленности, включая сульфонированный полистирол , сульфонированный углерод, ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Твердая фосфорная кислота , ниобская кислота и гетерополиоксометаллаты . ^{[ 3 ]}

Особенно крупномасштабным применением является алкилирование , например, комбинация бензола и этилена с получением этилбензола . Другим важным применением является перестройка циклогексанона оксима в капролактама . ^{[ 4 ]} Многие алкилмина готовится аминением спиртов, катализируемых твердыми кислотами. В этой роли кислота превращается ⁻, плохая уходная группа, в хорошую. Таким образом, кислоты используются для преобразования спиртов в другие классы соединений, такие как тиолы и амины.

Механизм

Признаются два вида кислотного катализа, специфический кислотный катализ и общий кислотный катализ. ^{[ 5 ]}

Специфический катализ

В специфическом кислотном катализе протонированный растворитель является катализатором. Скорость реакции пропорциональна концентрации протонированных молекул растворителя SH SH ⁺. ^{[ 6 ]} Сам кислотный катализатор (AH) только способствует ускорению скорости путем смещения химического равновесия между растворителем S и AH в пользу SH ⁺ разновидность. Этот вид катализа является обычным явлением для сильных кислот в полярных растворителях, таких как вода.

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

Например, в водном буферном растворе скорость реакции для реагентов R зависит от рН системы, но не от концентраций различных кислот.

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

Этот тип химической кинетики наблюдается, когда реагент r ¹ находится в быстром равновесии с его конъюгатной кислотой r ¹ЧАС ⁺ который продолжает медленно реагировать с R ² на продукт реакции; Например, в кислотной катализированной реакции альдола .

Общий катализ

В целом кислотный катализ все виды, способные пожертвовать протоны, способствуют ускорению скорости реакции . ^{[ 7 ]} Самые сильные кислоты наиболее эффективны. Реакции, в которых передача протона определяет скорость, демонстрируют общий кислотный катализ, например, связи диазония реакции .

{\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]}}+...

При сохранении pH на постоянном уровне, но изменение концентрации буфера изменение скорости сигнализирует общий кислотный катализ. Постоянная скорость является доказательством специфического кислотного катализатора. Когда реакции проводятся в неполярных средах, этот вид катализа важен, потому что кислота часто не ионизируется.

Ферменты катализируют реакции, используя общий кислотный и общий катализ.

Ссылки

^ LATHIYA, Dharmesh R.; Bhatt, Dhananjay v.; Maheria, Kalpana C. (июнь 2018 г.). «Синтез сульфонированного углеродного катализатора из отходов апельсиновой корзины для экономически эффективного производства биодизеля» . Bioresource Technology сообщает . 2 : 69–76. doi : 10.1016/j.biteb.2018.04.007 . S2CID 102573076 .
^ Гомес Миллан, Джерардо; Фири, Джосфат; Mäkelä, Mikko; Малони, Тад; Балу, Алина М.; Пинеда, Антонио; Льорка, Джорди; Sixta, Герберт (5 сентября 2019 г.). «Производство фурфурала в двухфазной системе с использованием углеродистой твердого кислотного катализатора» . Применяемый катализ A: Общий . 585 : 117180. DOI : 10.1016/j.apcata.2019.117180 . HDL : 2117/177256 . S2CID 201217759 .
^ Busca, Гвидо «Кислотные катализаторы в промышленной химии углеводородов». Химические обзоры 2007, том 107, 5366-5410. doi : 10.1021/cr068042e
^ Майкл Рёпер, Евген Герер, Томас Нарбешбер, Вольфганг Сигел «Ацилирование и алкилирование» в энциклопедии промышленной химии Уллмана, Wiley-VCH, Weinheim, 2000. Два : 10.1002/14356007.A01_185
^ Лоури, TH; Ричардсон, KS, «Механизм и теория в органической химии», Harper and Row: 1981. ISBN 0-06-044083-X
^ Iupac , сборник химической терминологии , 2 -е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн -исправленная версия: (2006–) « Конкретный катализ ». два : 10.1351/goldbook.s05796
^ Iupac , сборник химической терминологии , 2 -е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн -исправленная версия: (2006–) « Общий кислотный катализ ». doi : 10.1351/goldbook.g02609

[1] LATHIYA, Dharmesh R.; Bhatt, Dhananjay v.; Maheria, Kalpana C. (июнь 2018 г.). «Синтез сульфонированного углеродного катализатора из отходов апельсиновой корзины для экономически эффективного производства биодизеля» . Bioresource Technology сообщает . 2 : 69–76. doi : 10.1016/j.biteb.2018.04.007 . S2CID 102573076 .

[2] Гомес Миллан, Джерардо; Фири, Джосфат; Mäkelä, Mikko; Малони, Тад; Балу, Алина М.; Пинеда, Антонио; Льорка, Джорди; Sixta, Герберт (5 сентября 2019 г.). «Производство фурфурала в двухфазной системе с использованием углеродистой твердого кислотного катализатора» . Применяемый катализ A: Общий . 585 : 117180. DOI : 10.1016/j.apcata.2019.117180 . HDL : 2117/177256 . S2CID 201217759 .

[3] Busca, Гвидо «Кислотные катализаторы в промышленной химии углеводородов». Химические обзоры 2007, том 107, 5366-5410. doi : 10.1021/cr068042e

[4] Майкл Рёпер, Евген Герер, Томас Нарбешбер, Вольфганг Сигел «Ацилирование и алкилирование» в энциклопедии промышленной химии Уллмана, Wiley-VCH, Weinheim, 2000. Два : 10.1002/14356007.A01_185

[5] Лоури, TH; Ричардсон, KS, «Механизм и теория в органической химии», Harper and Row: 1981. ISBN 0-06-044083-X

[6] Iupac , сборник химической терминологии , 2 -е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн -исправленная версия: (2006–) « Конкретный катализ ». два : 10.1351/goldbook.s05796

[7] Iupac , сборник химической терминологии , 2 -е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн -исправленная версия: (2006–) « Общий кислотный катализ ». doi : 10.1351/goldbook.g02609

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]