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Catálisis homogénea

En química, la catálisis homogénea es aquella en la que el catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos, principalmente mediante un catalizador soluble en solució...

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En química, la catálisis homogénea es aquella en la que el catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos, principalmente mediante un catalizador soluble en solución. En contraste, la catálisis heterogénea describe procesos en los que el catalizador y el sustrato se encuentran en fases distintas, típicamente 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 consolidada que continúa evolucionando. Una aplicación importante que la ilustra es la producción de ácido acético . Las enzimas son ejemplos de catalizadores homogéneos. [ 2 ]

Ejemplos

Un complejo de geometría restringida . Estos precatalizadores se utilizan para la producción de poliolefinas como el polietileno y el polipropileno . [ 3 ]

Catalizador ácido

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 ésteres :

CH 3 CO 2 CH 3 + H 2 O ⇌ CH 3 CO 2 H + CH 3 OH

A pH neutro, las soluciones acuosas de la mayoría de los ésteres no se hidrolizan a velocidades prácticas.

Catálisis con metales de transición

Mecanismo para la hidrogenación de un alqueno catalizada por el catalizador homogéneo de Wilkinson .

Una clase importante de transformaciones reductivas son las hidrogenaciones . En este proceso, el H₂ no se añade a los sustratos insaturados. Una metodología relacionada, la hidrogenación por transferencia , implica la transferencia de hidrógeno de un sustrato (el donador de hidrógeno) a otro (el aceptor de hidrógeno). Las reacciones relacionadas implican "adiciones 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 suelen depender 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 metanol y el dióxido de carbono reaccionan en presencia de catalizadores homogéneos para dar ácido acético , como se practica en los procesos de Monsanto y Cativa . Otras reacciones relacionadas incluyen la hidrocarboxilación y la hidroesterificación .

Polimerización y metátesis de alquenos

Varias poliolefinas, como el polietileno y el polipropileno, se producen a partir de etileno y propileno mediante catálisis de Ziegler-Natta . Predominan los catalizadores heterogéneos, pero también se emplean muchos catalizadores solubles, especialmente para polímeros estereoselectivos. [ 6 ] La metátesis de olefinas se suele catalizar heterogéneamente en la industria, pero las variantes homogéneas son valiosas en la síntesis de productos químicos finos. [ 7 ]

Oxidaciones

Los catalizadores homogéneos también se utilizan en diversas oxidaciones. En el proceso Wacker , el acetaldehído se produce 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 se ilustra en el proceso Halcon y la dihidroxilación Sharpless .

Enzimas (incluidas las metaloenzimas)

Las enzimas son catalizadores homogéneos esenciales para la vida, pero también se utilizan en procesos industriales. Un ejemplo bien estudiado es la anhidrasa carbónica , que cataliza la liberación de CO₂ en los pulmones desde el torrente sanguíneo. Las enzimas poseen propiedades tanto de catalizadores homogéneos como heterogéneos. Por ello, suelen considerarse una tercera categoría de catalizadores. El agua es un reactivo común en la catálisis enzimática. Los ésteres y las amidas se hidrolizan lentamente 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 enzimática 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.
  • En 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 resultar complicada. En algunos casos, cuando se trata de catalizadores de alta actividad, el catalizador no se elimina del producto. En otros casos, la destilación permite extraer los 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 operan cerca de los 200  °C. [ 10 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ IUPAC , Compendio de Terminología Química , 5.ª ed. (el "Libro de Oro") (2025). Versión en línea: (2006 – ) " catalizador ". doi : 10.1351/goldbook.C00876
  2. ↑ van Leeuwen, PWNM; Chadwick, JC (2011). Catalizadores homogéneos: actividad - estabilidad - desactivación . Wiley-VCH, Weinheim. ISBN 9783527635993OCLC 739118524​​ .
  3. ↑ 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 . 
  4. ↑ Bell, RP (11 de noviembre de 2013). El protón en química . Nueva York, NY: Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4757-1592-7OCLC 1066192105​​ 
  5. ^ Cornils, chico; Börner, Armin; Franke, Robert; Zhang, Baoxin; Wiebus, Ernst; Schmid, Klaus (2017). "Hidroformilación". Catálisis Homogénea Aplicada con Compuestos Organometálicos . págs. 23– 90. doi : 10.1002/9783527651733.ch2 . ISBN  9783527328970.
  6. ↑ Elschenbroich, C. "Organometálicos" (2006) Wiley-VCH: Weinheim. ISBN 978-3-527-29390-2
  7. ↑ 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.
  8. ^ 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.
  9. ↑ GO Spessard y GL Miessler "Química organometálica", Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1997, págs. 249-251.
  10. ↑ Haibach, Michael C.; Kundu, Sabuj; Brookhart, Maurice; Goldman, Alan S. (2012). "Metátesis de alcanos mediante catálisis en tándem de deshidrogenación de alcanos y metátesis de olefinas y química relacionada". Accounts of Chemical Research . 45 (6): 947– 958. doi : 10.1021/ar3000713 . PMID 22584036 .