При кислотном и основном катализе химическая реакция катализируется кислотой или основанием . Согласно кислотно-основной теории Бренстеда-Лоури , кислота является донором протона ( иона водорода , H + ), а основание является акцептором протона. Типичными реакциями, катализируемыми переносом протона, являются этерификации и альдольные реакции . В этих реакциях кислота, сопряженная с карбонильной группой, является лучшим электрофилом , чем сама нейтральная карбонильная группа. В зависимости от химических веществ, которые действуют как кислота или основание, каталитические механизмы можно разделить на специфический катализ и общий катализ . Многие ферменты действуют путем общего катализа.
Кислотный катализ в основном используется для органических химических реакций. Многие кислоты могут выступать в качестве источников протонов. К кислотам, используемым для кислотного катализа, относятся плавиковая кислота (в процессе алкилирования ), фосфорная кислота , толуолсульфокислота , полистиролсульфонат , гетерополикислоты , цеолиты .
Сильные кислоты катализируют гидролиз и переэтерификацию сложных эфиров , например, при переработке жиров в биодизельное топливо . С точки зрения механизма карбонильный кислород подвержен протонированию, что увеличивает электрофильность карбонильного углерода.
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 (титан, цирконий, ниобия и другие). Такие кислоты используются при крекинге . Многие твердые кислоты Бренстеда также используются в промышленности, включая сульфированный полистирол , сульфированный углерод, [1] [2] твердую фосфорную кислоту , ниобиевую кислоту и гетерополиоксометаллаты . [3]
Особенно широкомасштабное применение представляет собой алкилирование , например, соединение бензола и этилена с образованием этилбензола . Другим важным применением является перегруппировка оксима циклогексанона в капролактам . [4] Многие алкиламины получают путем аминирования спиртов, катализируемого твердыми кислотами. В этой роли кислота превращает OH- , плохую уходящую группу, в хорошую. Таким образом, кислоты используются для превращения спиртов в другие классы соединений, такие как тиолы и амины.
Различают два вида кислотного катализа: специфический кислотный катализ и общий кислотный катализ. [5]
В специфическом кислотном катализе катализатором является протонированный растворитель. Скорость реакции пропорциональна концентрации протонированных молекул растворителя SH + . [6] Сам кислотный катализатор (AH) способствует ускорению скорости только за счет смещения химического равновесия между растворителем S и AH в пользу частиц SH + . Этот вид катализа характерен для сильных кислот в полярных растворителях, таких как вода.
Например, в водном буферном растворе скорость реакции реагентов R зависит от pH системы, а не от концентрации различных кислот.
Этот тип химической кинетики наблюдается, когда реагент R 1 находится в быстром равновесии с сопряженной с ним кислотой R 1 H + , которая начинает медленно реагировать с R 2 до продукта реакции; например, в катализируемой кислотой альдольной реакции .
В общем кислотном катализе все виды, способные отдавать протоны, способствуют ускорению скорости реакции . [7] Самые сильные кислоты наиболее эффективны. Реакции, в которых перенос протона является определяющим, демонстрируют общий кислотный катализ, например реакции сочетания диазония .
При поддержании pH на постоянном уровне, но изменении концентрации буфера изменение скорости сигнализирует об общем кислотном катализе. Постоянная скорость свидетельствует о наличии конкретного кислотного катализатора. Когда реакции проводятся в неполярных средах, этот вид катализа важен, поскольку кислота часто не ионизируется.
Ферменты катализируют реакции, используя общекислотный и общеосновной катализ.
![{\displaystyle {\text{rate}}=-{\frac {{\text{d}}[{\ce {R^1}}]}{{\text{d}}t}}=k{\ ce {[SH+] [R^1] [R^2]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/75067096bad781d99c291bd99419700d6db53e81)
![{\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]}}+...}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c2f442541d3f75dcc737cd9935b618de39267b6c)