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 (ion 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 mejor electrófilo que el propio grupo carbonilo neutro. Dependiendo de las especies químicas que actúan como ácido o base, los mecanismos catalíticos se pueden clasificar en catálisis específica y catálisis general. Muchas enzimas funcionan mediante catálisis general.

Aplicaciones y ejemplos

Ácidos de Brønsted

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, sulfonato de poliestireno, heteropoliácidos y zeolitas.

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

Catalizadores ácidos sólidos

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), circonio sulfatado y muchos óxidos de metales de transición (titania, circonio, niobia y más). Estos ácidos se utilizan en el craqueo. Muchos ácidos de Brønsted sólidos también se emplean industrialmente, incluido el poliestireno sulfonado, el carbono sulfonado, el ácido fosfórico sólido, el ácido nióbico y los heteropolioxometalatos.

Una aplicación particularmente a gran escala es la alquilación, por ejemplo, la combinación de benceno y etileno para dar etilbenceno. Otra aplicación importante es la reordenación de ciclohexanona oxima en caprolactama. Muchas alquilaminas se preparan mediante aminación de alcoholes, catalizada por ácidos sólidos. En esta función, el ácido convierte el OH⁻, un grupo saliente deficiente, en uno bueno. Así, los ácidos se utilizan para convertir alcoholes en otras clases de compuestos, como tioles y aminas.

Mecanismo

Se reconocen dos tipos de catálisis ácida, la catálisis ácida específica y la catálisis ácida general.

Catálisis específica

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 protonadas SH⁺. El catalizador ácido en sí (AH) solo contribuye a la aceleración de la velocidad al cambiar el equilibrio químico entre el solvente S y AH a favor de las especies SH⁺. Este tipo de catálisis es común para ácidos fuertes en disolventes polares, como el agua.

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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.

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Este tipo de cinética química se observa cuando el reactivo R¹ está en rápido equilibrio con su ácido conjugado R¹H⁺ que procede a reaccionar lentamente con R ² al producto de reacción; por ejemplo, en la reacción aldólica catalizada por ácido.

Catálisis general

En la catálisis ácida general, todas las especies capaces de donar protones contribuyen a la aceleración de la velocidad de reacción. Los ácidos más fuertes son los más eficaces. Las reacciones en las que la transferencia de protones determina la velocidad exhiben catálisis ácida general, por ejemplo reacciones de acoplamiento de diazonio.

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Cuando 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 mediante catálisis general ácida y general-base.