catálisis ácida

La catálisis ácida se utiliza principalmente en reacciones químicas orgánicas . Muchos ácidos pueden funcionar como fuentes de protones. Entre los ácidos utilizados en la catálisis ácida se incluyen el ácido fluorhídrico (en el proceso de alquilación ), el ácido fosfórico , el ácido toluenosulfónico , el poliestireno sulfonato , los heteropoliácidos y las zeolitas .

Los ácidos fuertes catalizan la hidrólisis y la transesterificación de ésteres , por ejemplo, para procesar grasas y convertirlas en biodiésel . En cuanto al mecanismo, el oxígeno carbonílico es susceptible a la protonación, lo que aumenta la electrofilicidad en el carbono carbonílico.

En la química a escala industrial, muchos procesos son catalizados por "ácidos sólidos". Los ácidos sólidos no se disuelven en el medio de reacción. Ejemplos bien conocidos incluyen estos óxidos, que funcionan como ácidos de Lewis: silicoaluminatos ( zeolitas , alúmina , silicoaluminofosfato), zirconia sulfatada y muchos óxidos de metales de transición (titania, zirconia, niobia, entre otros). Dichos ácidos se utilizan en el craqueo . Muchos ácidos de Brønsted sólidos también se emplean industrialmente, incluyendo poliestireno sulfonado , carbono sulfonado, ^{[ 1 ] [ 2 ]} ácido fosfórico sólido , ácido nióbico y heteropolioxometalatos . ^{[ 3 ]}

Una aplicación a gran escala es la alquilación , por ejemplo, la combinación de benceno y etileno para dar etilbenceno . Otra aplicación importante es el reordenamiento de la ciclohexanona oxima a caprolactama . ^{[ 4 ]} Muchas alquilaminas se preparan mediante la aminación de alcoholes, catalizada por ácidos sólidos. En este proceso, el ácido convierte el grupo saliente OH⁻ ^en uno bueno. Por lo tanto, los ácidos se utilizan para convertir alcoholes en otras clases de compuestos, como tioles y aminas.

En la catálisis ácida específica, el disolvente protonado actúa como catalizador. La velocidad de reacción es proporcional a la concentración de las moléculas de disolvente protonado SH ⁺ . ^{[ 6 ]} El propio catalizador ácido (AH) solo contribuye a la aceleración de la reacción desplazando el equilibrio químico entre el disolvente S y AH a favor de la especie SH ⁺ . Este tipo de catálisis es común en ácidos fuertes disueltos en disolventes polares, como el agua.

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

Por ejemplo, en una solución tampón acuosa , la velocidad de reacción de los reactivos R depende del pH del sistema, pero no de las concentraciones de los diferentes ácidos.

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

Este tipo de cinética química se observa cuando el reactivo R ¹ está en un equilibrio rápido con su ácido conjugado R ¹ H ⁺ que procede a reaccionar lentamente con R ² para dar el producto de reacción; por ejemplo, en la reacción aldólica catalizada por ácido .

En la catálisis ácida general, todas las especies capaces de donar protones contribuyen a la aceleración de la velocidad de reacción . ^{[ 7 ]} Los ácidos más fuertes son los más efectivos. Las reacciones en las que la transferencia de protones determina la velocidad presentan catálisis ácida general, por ejemplo, las reacciones de acoplamiento de diazonio .

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

Al mantener el pH constante pero variar la concentración del tampón, un cambio en la velocidad de reacción indica una catálisis ácida general. Una velocidad constante es evidencia de un catalizador ácido específico. Cuando las reacciones se llevan a cabo en medios no polares, este tipo de catálisis es importante porque el ácido a menudo no está ionizado.

Las enzimas catalizan reacciones mediante catálisis ácida general y catálisis básica general.