Hispanopedia WikiEn química, la catálisis homogénea es una catálisis en la que el catalizador está en la misma fase que los reactivos, principalmente mediante un catalizador soluble en una solución. Por el contrario, la catálisis heterogénea describe procesos en los que los catalizadores y el sustrato están en fases distintas, normalmente sólida y gaseosa, respectivamente. [1] El término se utiliza casi exclusivamente para describir soluciones e implica la catálisis mediante compuestos organometálicos . La catálisis homogénea es una tecnología establecida que continúa evolucionando. Una aplicación principal ilustrativa es la producción de ácido acético . Las enzimas son ejemplos de catalizadores homogéneos. [2]
Ejemplos
Catálisis ácida
El protón es un catalizador homogéneo omnipresente [4] porque el agua es el disolvente más común. El agua forma protones mediante el proceso de autoionización del agua . En un caso ilustrativo, los ácidos aceleran (catalizan) la hidrólisis de los ésteres :
- CH3CO2CH3 + H2O ⇌ CH3CO2H + CH3OH
A pH neutro, las soluciones acuosas de la mayoría de los ésteres no se hidrolizan a velocidades prácticas.
Catálisis con metales de transición
Hidrogenación y reacciones relacionadas
Una clase destacada de transformaciones reductoras son las hidrogenaciones . En este proceso, se añade H2 a sustratos insaturados. Una metodología relacionada, la hidrogenación por transferencia , implica la transferencia de hidrógeno de un sustrato (el donante de hidrógeno) a otro (el aceptor de hidrógeno). Las reacciones relacionadas implican "adiciones de HX", donde X = sililo ( hidrosililación ) y CN ( hidrocianación ). La mayoría de las hidrogenaciones industriales a gran escala (margarina, amoníaco, benceno a ciclohexano) se llevan a cabo con catalizadores heterogéneos. Sin embargo, las síntesis químicas finas a menudo dependen de catalizadores homogéneos.
Carbonilaciones
La hidroformilación , una forma destacada de carbonilación , implica la adición de H y "C(O)H" a través de un doble enlace. Este proceso se lleva a cabo casi exclusivamente con complejos solubles que contienen rodio y cobalto . [5]
Una carbonilación relacionada es la conversión de alcoholes en ácidos carboxílicos. El MeOH y el CO reaccionan en presencia de catalizadores homogéneos para dar ácido acético , como se practica en el proceso Monsanto y en los procesos Cativa . Las reacciones relacionadas incluyen la hidrocarboxilación y la hidroesterificación .
Polimerización y metátesis de alquenos
Se producen varias poliolefinas, por ejemplo, polietileno y polipropileno, a partir de etileno y propileno mediante catálisis Ziegler-Natta . Los catalizadores heterogéneos predominan, pero se emplean muchos catalizadores solubles, especialmente para polímeros estereoespecíficos. [6] La metátesis de olefinas suele catalizarse de forma heterogénea en la industria, pero las variantes homogéneas son valiosas en la síntesis química fina. [7]
Oxidaciones
Los catalizadores homogéneos también se utilizan en diversas oxidaciones. En el proceso Wacker , se produce acetaldehído a partir de eteno y oxígeno . Muchos complejos no organometálicos también se utilizan ampliamente en catálisis, por ejemplo, para la producción de ácido tereftálico a partir de xileno . Los alquenos se epoxidan y dihidroxilan mediante complejos metálicos, como lo ilustra el proceso Halcon y la dihidroxilación de Sharpless .
Enzimas (incluidas las metaloenzimas)
Las enzimas son catalizadores homogéneos que son esenciales para la vida, pero también se aprovechan para procesos industriales. Un ejemplo bien estudiado es la anhidrasa carbónica , que cataliza la liberación de CO2 a los pulmones desde el torrente sanguíneo. Las enzimas poseen propiedades tanto de catalizadores homogéneos como heterogéneos. Como tal, generalmente se las considera una tercera categoría separada de catalizador. El agua es un reactivo común en la catálisis enzimática. Los ésteres y las amidas son lentos para hidrolizarse en agua neutra, pero las velocidades se ven afectadas drásticamente por las metaloenzimas , que pueden considerarse como grandes complejos de coordinación. La acrilamida se prepara mediante la hidrólisis catalizada por enzimas del acrilonitrilo . [8] La demanda estadounidense de acrilamida fue de 253.000.000 libras (115.000.000 kg) en 2007.
Ventajas y desventajas
Ventajas
- Los catalizadores homogéneos suelen ser más selectivos que los catalizadores heterogéneos.
- Para los procesos exotérmicos, los catalizadores homogéneos transfieren calor al disolvente.
- Los catalizadores homogéneos son más fáciles de caracterizar, lo que hace que sus mecanismos de reacción sean susceptibles de manipulación racional. [9]
Desventajas
- La separación de catalizadores homogéneos de los productos puede ser un desafío. En algunos casos en los que se utilizan catalizadores de alta actividad, el catalizador no se elimina del producto. En otros casos, la destilación puede extraer productos orgánicos volátiles.
- Los catalizadores homogéneos tienen una estabilidad térmica limitada en comparación con los catalizadores heterogéneos. Muchos complejos organometálicos se degradan por debajo de los 100 °C. Sin embargo, algunos catalizadores basados en pinzas funcionan cerca de los 200 °C. [10]
Véase también
Referencias
- ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª edición (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "catalizador". doi :10.1351/goldbook.C00876
- ^ van Leeuwen, PWNM; Chadwick, JC (2011). Catalizadores homogéneos: actividad, estabilidad y desactivación. Wiley-VCH, Weinheim. ISBN 9783527635993.OCLC 739118524 ..
- ^ Klosin, Jerzy; Fontaine, Philip P.; Figueroa, Ruth (2015). "Desarrollo de catalizadores moleculares del grupo IV para reacciones de copolimerización de etileno-α-olefina a alta temperatura". Accounts of Chemical Research . 48 (7): 2004–2016. doi : 10.1021/acs.accounts.5b00065 . PMID 26151395.
- ^ Bell, RP (11 de noviembre de 2013). El protón en la química. Nueva York, NY: Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4757-1592-7.OCLC 1066192105 .
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- ^ Elschenbroich, C. "Organometálicos" (2006) Wiley-VCH: Weinheim. ISBN 978-3-527-29390-2
- ^ Beckerle, Klaus; Okuda, Jun; Kaminsky, Walter; Luinstra, Gerrit A.; Baier, Moritz C.; Mecking, Stefan; Ricci, Giovanni; Leone, Giuseppe; Mleczko, Leslaw; Wolf, Aurel; Grosse Böwing, Alexandra (2017). "Polimerización y copolimerización". Catálisis homogénea aplicada con compuestos organometálicos . págs. 191–306. doi :10.1002/9783527651733.ch4. ISBN 9783527328970.
- ^ Ohara, Takashi; Sato, Takahisa; Shimizu, Noboru; Prescher, Günter; Schwind, Helmut; Weiberg, Otto; Marta, Klaus; Greim, Helmut (2003). "Ácido Acrílico y Derivados". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a01_161.pub2. ISBN 3527306730.
- ^ GO Spessard y GL Miessler "Química organometálica", Prentice Hall, Upper Saddle River, Nueva Jersey, 1997, págs. 249-251.
- ^ Haibach, Michael C.; Kundu, Sabuj; Brookhart, Maurice; Goldman, Alan S. (2012). "Metátesis de alcanos mediante catálisis de deshidrogenación de alcanos en tándem-metátesis de olefinas y química relacionada". Accounts of Chemical Research . 45 (6): 947–958. doi :10.1021/ar3000713. PMID 22584036.
