В кислотном катализе и основном катализе химическая реакция катализируется кислотой или основанием . Согласно кислотно-основной теории Бренстеда-Лоури , кислота является донором протона ( иона водорода , H + ), а основание — акцептором протона. Типичными реакциями, катализируемыми переносом протона, являются этерификации и альдольные реакции . В этих реакциях сопряженная кислота карбонильной группы является лучшим электрофилом , чем 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 посредством общего катализа.
Кислотный катализ в основном используется для органических химических реакций. Многие кислоты могут функционировать как источники протонов. Кислоты, используемые для кислотного катализа, включают плавиковую кислоту (в процессе алкилирования ), фосфорную кислоту , толуолсульфокислоту , полистиролсульфонат , гетерополикислоты , цеолиты .
Сильные кислоты катализируют гидролиз и переэтерификацию сложных эфиров , например, для переработки жиров в биодизель . С точки зрения механизма, карбонильный кислород восприимчив к протонированию, что увеличивает электрофильность карбонильного углерода.
В промышленной химии многие процессы катализируются «твердыми кислотами». Твердые кислоты не растворяются в реакционной среде. Хорошо известные примеры включают эти оксиды, которые функционируют как кислоты Льюиса: силикоалюминаты ( цеолиты , оксид алюминия , силикоалюмофосфат), сульфатированный цирконий и многие оксиды переходных металлов (титан, цирконий, ниобий 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 крупномасштабное применение — алкилирование , например, сочетание бензола и этилена для получения этилбензола . Другое важное применение — перегруппировка циклогексаноноксима в капролактам . [4] Многие алкиламины получают аминированием спиртов, катализируемым твердыми кислотами. В этой роли кислота преобразует OH− , плохую уходящую группу, в хорошую. Таким образом, кислоты используются для преобразования 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) только способствует ускорению скорости, сдвигая химическое равновесие между растворителем S и AH в пользу видов 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, но не от концентраций различных кислот.
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 образованием продукта реакции; например, в альдольной реакции, катализируемой кислотой .
В общем кислотном катализе все виды, способные отдавать протоны, способствуют ускорению скорости реакции . [7] Наиболее эффективны самые сильные кислоты. Реакции, в которых скорость определяется переносом протона, 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 определенного кислотного катализатора. Когда реакции проводятся в неполярных средах, этот тип катализа важен, поскольку кислота часто не ионизирована.
Ферменты катализируют реакции, используя общий кислотный и общий основной 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)