Кислотный катализ

редактировать
В кислотном катализаторе Fischer При этерификации, протон связывается с кислородом и действует как кислота Льюиса, активируя сложный эфир карбонил (верхний ряд) в качестве электрофила, и превращает гидроксил в воду с хорошей уходящей группой (внизу слева). Оба снижают кинетический барьер и ускоряют достижение химического равновесия.

В кислотном катализеи щелочном катализехимическая реакция составляет катализируемый кислотой или основанием. Согласно теории кислоты и основания 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 сопряженная кислота из карбонильной группы является лучшим электрофилом, чем сама нейтральная карбонильная группа. В зависимости от химического вещества, которое действует как кислота или основание, каталитические механизмы можно классифицировать как специфический катализи общий катализ. Многие ферменты действуют путем специфического катализа.

Содержание

  • 1 Области применения и примеры
    • 1.1 Кислоты Бренстеда
    • 1.2 Твердые кислотные катализаторы
  • 2 Механизм
    • 2.1 Специфический катализ
    • 2.2 Общий катализ
  • 3 Ссылки

Области применения и примеры

кислоты Бренстеда

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

Сильные кислоты катализируют гидролиз и переэтерификацию сложных эфиров, например для переработки жиров в биодизель. С точки зрения механизма, карбонильный кислород подвержен протонированию, что увеличивает электрофильность карбонильного углерода.

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 действуют как кислоты Льюиса: силикоалюминаты (цеолиты, оксид алюминия, силикоалюминофосфат), сульфатированный диоксид циркония и многие переходные металлы оксиды (диоксид титана, диоксид циркония, ниобия и др.). Такие кислоты используются при крекинге . Многие твердые кислоты Бренстеда также используются в промышленности, включая сульфированный полистирол, сульфированный углерод, твердую фосфорную кислоту, ниобиновую кислоту и гетеро полиоксометаллаты.

Особенно крупномасштабным применением является алкилирование, например, сочетание бензола и этилена с получением этилбензола. Другим важным применением является перегруппировка циклогексаноноксима в капролактам. Многие алкил амины получают аминированием спиртов, катализируемым твердыми кислотами. В этой роли кислота превращает ОН, плохую уходящую группу, в хорошую. Таким образом, кислоты используются для преобразования спиртов в другие классы соединений, такие как тиолы и амины.

Механизм

Различают два вида кислотного катализа: специфический кислотный катализ и общий кислотный катализ.

Специфический катализ

В специфическом кислотном катализе протонированный растворитель это катализатор. скорость реакции пропорциональна концентрации протонированных молекул растворителя SH. 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.

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

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

rate = - d [R 1] dt = k [SH +] [R 1] [R 2] {\ displaystyle {\ text {rate}} = - {\ frac {{\ text {d}} [{\ ce {R ^ 1}}]} {{\ text {d}} t}} = k {\ ce {[SH +] [R ^ 1] [R ^ 2]}}}{\ 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 Rнаходится в быстром равновесии со своей конъюгированной кислотой RH, которая продолжает медленно реагировать с Rс продуктом реакции; например, в катализируемой кислотой альдольной реакции.

Общий катализ

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

скорость = - d [R 1] dt = k 1 [SH +] [R 1] [R 2] + k 2 [A 1 H] [R 1] [R 2] + k 3 [A 2 H ] [R 1] [R 2] +... {\ 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]}} +...}{\ 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 при изменении концентрации буфера, изменение скорости сигнализирует об общем кислотный катализ. Постоянная скорость свидетельствует о конкретном кислотном катализаторе. Когда реакции проводятся в неполярных средах, этот вид катализа важен, поскольку кислота часто не ионизируется.

Ферменты катализируют реакции с использованием общего кислотного и общего щелочного катализа.

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-08 21:24:50
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте