Catálise homogênea - Homogeneous catalysis

Em química, a catálise homogênea é a catálise em uma solução por um catalisador solúvel. Catálise homogênea refere-se a reações em que o catalisador está na mesma fase dos reagentes, principalmente em solução. Em contraste, a catálise heterogênea descreve processos em que os catalisadores e o substrato estão em fases distintas, normalmente gás-sólido, respectivamente. O termo é usado quase exclusivamente para descrever soluções e implica catálise por compostos organometálicos . A catálise homogênea é uma tecnologia estabelecida que continua a evoluir. Uma aplicação ilustrativa importante é a produção de ácido acético . As enzimas são exemplos de catalisadores homogêneos.

Exemplos

Um complexo de geometria restrita . Esses pré-catalisadores são usados ​​para a produção de poliolefinas , como polietileno e polipropileno .

Catálise ácida

Artigo principal: catálise ácida

O próton é um catalisador homogêneo generalizado porque a água é o solvente mais comum. A água forma prótons pelo processo de autoionização da água . Em um caso ilustrativo, os ácidos aceleram (catalisam) a hidrólise de ésteres :

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

Em pH neutro, as soluções aquosas da maioria dos ésteres não hidrolisam em taxas práticas.

Catálise de metal de transição

Mecanismo de hidrogenação de um alceno catalisado pelo catalisador homogêneo catalisador de Wilkinson .
Hidrogenação e reações relacionadas

Uma classe proeminente de transformações redutivas são as hidrogenações . Neste processo, H 2 adicionado a substratos insaturados. Uma metodologia relacionada, a hidrogenação por transferência, envolve a transferência de hidrogênio de um substrato (o doador de hidrogênio) para outro (o aceitador de hidrogênio). As reações relacionadas envolvem "adições de HX", em que X = silil ( hidrossililação ) e CN ( hidrocianação ). A maioria das hidrogenações industriais em grande escala - margarina, amônia, benzeno a ciclohexano - são conduzidas com catalisadores heterogêneos. As sínteses químicas finas, entretanto, freqüentemente dependem de catalisadores homogêneos.

Carbonilações

A hidroformilação , uma forma proeminente de carbonilação , envolve a adição de H e "C (O) H" através de uma ligação dupla. Este processo é conduzido quase exclusivamente com complexos solúveis contendo ródio e cobalto.

Uma carbonilação relacionada é a conversão de álcoois em ácidos carboxílicos. MeOH e CO reagem na presença de catalisadores homogêneos para dar ácido acético , como praticado nos processos Monsanto e Cativa . As reações relacionadas incluem hidrocarboxilação e hidroesterificações .

Polimerização e metátese de alcenos

Várias poliolefinas, por exemplo, polietileno e polipropileno, são produzidas a partir de etileno e propileno por catálise Ziegler-Natta . Os catalisadores heterogêneos dominam, mas muitos catalisadores solúveis são empregados especialmente para polímeros estereoespecíficos. A metátese da olefina é geralmente catalisada de forma heterogênea na indústria, mas as variantes homogêneas são valiosas na síntese química fina.

Oxidações

Catalisadores homogêneos também são usados ​​em uma variedade de oxidações. No processo Wacker , o acetaldeído é produzido a partir do eteno e do oxigênio . Muitos complexos não organometálicos também são amplamente usados ​​em catálise, por exemplo, para a produção de ácido tereftálico a partir de xileno . Os alcenos são epoxidados e diidroxilados por complexos metálicos, conforme ilustrado pelo processo Halcon e pela diidroxilação Sharpless .

Enzimas (incluindo metaloenzimas)

As enzimas são catalisadores homogêneos essenciais para a vida, mas também aproveitados para processos industriais. Um exemplo bem estudado é a anidrase carbônica , que catalisa a liberação de CO 2 da corrente sanguínea para os pulmões. As enzimas possuem propriedades de catalisadores homogêneos e heterogêneos. Como tal, eles são geralmente considerados como uma terceira categoria separada de catalisador. A água é um reagente comum na catálise enzimática. Ésteres e amidas são lentos para hidrolisar em água neutra, mas as taxas são fortemente afetadas pelas metaloenzimas , que podem ser vistas como grandes complexos de coordenação. A acrilamida é preparada pela hidrólise catalisada por enzima da acrilonitrila . A demanda dos EUA por acrilamida foi de 253.000.000 libras (115.000.000 kg) em 2007.

Vantagens e desvantagens

Vantagens

  • Catalisadores homogêneos são geralmente mais seletivos do que catalisadores heterogêneos.
  • Para processos exotérmicos, catalisadores homogêneos despejam calor no solvente.
  • Catalisadores homogêneos são mais fáceis de caracterizar com precisão, então seus mecanismos de reação são passíveis de manipulação racional.

Desvantagens

  • A separação de catalisadores homogêneos de produtos pode ser um desafio. Em alguns casos envolvendo catalisadores de alta atividade, o catalisador não é removido do produto. Em outros casos, os produtos orgânicos são suficientemente voláteis para que possam ser separados por destilação.
  • O catalisador homogêneo tem estabilidade térmica limitada em comparação com os catalisadores heterogêneos. Muitos complexos organometálicos degradam <100 ° C. Alguns catalisadores baseados em pinça , no entanto, operam perto de 200 ° C.

Veja também

Referências

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