Catálisis ácida

En la catálisis ácida y la catálisis básica , una reacción química es catalizada por un ácido o una base . Según la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry , el ácido es el donante de protones ( iones hidrógeno , H ⁺ ) y la base es el aceptor de protones. Las reacciones típicas catalizadas por transferencia de protones son las esterificaciones y las reacciones aldólicas . En estas reacciones, el ácido conjugado del grupo carbonilo es un mejor electrófilo que el propio grupo carbonilo neutro. Dependiendo de las especies químicas que actúan como ácido o base, los mecanismos catalíticos pueden clasificarse como catálisis específica y catálisis general . Muchas enzimas funcionan mediante catálisis general.

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

Los ácidos fuertes catalizan la hidrólisis y transesterificación de ésteres , por ejemplo, para procesar grasas en biodiesel . En términos del mecanismo, el oxígeno del carbonilo es susceptible a la protonación, lo que mejora la electrofilicidad en el carbono del carbonilo.

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, niobio y más). Estos ácidos se utilizan en el craqueo . Muchos ácidos sólidos de Brønsted 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 la transposición de la oxima de ciclohexanona a caprolactama . ^[4] Muchas aminas de alquilo se preparan mediante aminación de alcoholes, catalizada por ácidos sólidos. En esta función, el ácido convierte OH ⁻ , un grupo saliente pobre, en uno bueno. Por lo tanto, los ácidos se utilizan para convertir alcoholes en otras clases de compuestos, como tioles y aminas.

Se reconocen dos tipos de catálisis ácida: la catálisis ácida específica y la catálisis ácida general. ^[5]

En la catálisis ácida específica, el disolvente protonado es el 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 velocidad al desplazar el equilibrio químico entre el disolvente S y AH a favor de las especies SH ⁺ . Este tipo de catálisis es común para ácidos fuertes 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 formar 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 eficaces. Las reacciones en las que la transferencia de protones determina la velocidad presentan una catálisis ácida general, por ejemplo, las reacciones de acoplamiento de diazonio .

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

Si se mantiene el pH a un nivel constante pero se cambia la concentración del tampón, un cambio en la velocidad 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 utilizando catálisis de ácido general y de base general.