Кислотный катализ

В кислотном катализе Фишер этерификации , то протон связывается с атомами кислорода и функций в качестве кислоты Льюиса для активации сложного эфира карбонила (верхний ряд) в качестве электрофильного соединения и преобразует гидроксильный в хорошей уходящей группе воду (внизу слева). Оба снижают кинетический барьер и ускоряют достижение химического равновесия .

В кислотном катализе и основной катализ , А химическая реакция является катализируемым с помощью кислоты или основания . Согласно кислотно-основной теории Бренстеда – Лоури , кислота является донором протона ( ион водорода , H ⁺ ), а основание - акцептором протона. Типичными реакциями, катализируемыми переносом протона, являются реакции этерификации и альдольные реакции . В этих реакциях конъюгата кислота из карбонильной группы является лучшим электрофиломчем сама нейтральная карбонильная группа. В зависимости от химических веществ, которые действуют как кислота или основание, каталитические механизмы можно классифицировать как специфический катализ и общий катализ . Многие ферменты действуют путем специфического катализа.

Приложения и примеры [ править ]

Кислоты Бренстеда [ править ]

Кислотный катализ в основном используется для органических химических реакций. Многие кислоты могут действовать как источники протонов. Кислоты, используемые для кислотного катализа, включают фтористоводородную кислоту (в процессе алкилирования ), фосфорную кислоту , толуолсульфоновую кислоту , полистиролсульфонат , гетерополикислоты , цеолиты .

Сильные кислоты катализируют гидролиз и переэтерификации из сложных эфиров , например , для переработки жиров в биодизельное топливо . Что касается механизма, карбонильный кислород подвержен протонированию, что увеличивает электрофильность у карбонильного углерода.

Твердые кислотные катализаторы [ править ]

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 действуют как кислоты Льюиса: силикоалюминаты ( цеолиты , оксид алюминия , силикоалюмофосфат), сульфатированный диоксид циркония и многие оксиды переходных металлов (диоксид титана, диоксид циркония, ниобия и другие). Такие кислоты используются при крекинге . Многие твердые кислоты Бренстед также используются в промышленности, в том числе сульфированного полистирола , сульфированный углерод, ^{[1] [2]} твердая фосфорная кислота , ниобиевая кислоту и гетероатомы полиоксометаллат . ^[3]

Особенно крупномасштабным применением является алкилирование , например, сочетание бензола и этилена с получением этилбензола . Другое важное применение - перегруппировка циклогексаноноксима в капролактам . ^[4] Многие алкильные амины получают путем аминирования спиртов, катализируемой твердыми кислотами. В этой роли, кислые обращенные, ОН ^- , бедная уходящая группа, в хороший. Таким образом, кислоты используются для преобразования спиртов в другие классы соединений, такие как тиолы и амины.

Механизм [ править ]

Различают два вида кислотного катализа: специфический кислотный катализ и общий кислотный катализ. ^[5]

Специфический катализ [ править ]

В специфическом кислотном катализе протонированный растворитель является катализатором. Скорость реакции пропорциональна концентрации протонированных молекул растворителя SH ⁺ . ^[6] Сам кислотный катализатор (AH) только способствует ускорению скорости, сдвигая химическое равновесие между растворителем S и AH в пользу разновидностей SH ⁺ . Этот вид катализа обычен для сильных кислот в полярных растворителях, таких как вода.

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

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

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

Этот тип химической кинетики наблюдается, когда реагент R ¹ находится в быстром равновесии со своей сопряженной кислотой R ¹ H ^+, которая медленно реагирует с R ² с продуктом реакции; например, в альдольной реакции, катализируемой кислотой .

Общий катализ [ править ]

В общем кислотном катализе все частицы, способные отдавать протоны, способствуют ускорению скорости реакции . ^[7] Самые сильные кислоты наиболее эффективны. Реакции, в которых перенос протона определяет скорость, проявляют общий кислотный катализ, например реакции сочетания диазония .

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

При поддержании pH на постоянном уровне, но изменении концентрации буфера, изменение скорости сигнализирует об общем кислотном катализе. Постоянная скорость свидетельствует о конкретном кислотном катализаторе. Когда реакции проводятся в неполярных средах, этот вид катализа важен, потому что кислота часто не ионизируется.

Ферменты катализируют реакции, используя общий кислотный и общий щелочной катализ.

Ссылки [ править ]