Кіріспе

Химиялық реакция

Қышқыл катализінде және негіз катализінде химиялық реакция қышқыл немесе негіз арқылы катализденеді. Брёнстед-Лоури қышқыл-негіз теориясына сәйкес, қышқыл – протон (сутек ионы, H+) доноры, ал негіз – протон акцепторы. Протондық көшіру арқылы катализденетін әдеттегі реакциялар – этерификация және альдоль реакциялары. Бұл реакцияларда карбонил тобының конъюгацияланған қышқылы, бейтарап карбонил тобынан гөрі жақсы электрофил болып табылады. Қышқыл немесе негіз ретінде әрекет ететін химиялық түрлерге байланысты, катализдік механизмдер арнайы катализ және жалпы катализ деп жіктелуі мүмкін. Көптеген ферменттер жалпы катализ механизмі бойынша жұмыс істейді.

Бронштед қышқылдары

Қышқыл катализі негізінен органикалық химиялық реакциялар үшін қолданылады. Көптеген қышқылдар протондардың көзі ретінде қызмет ете алады. Қышқыл катализінде қолданылатын қышқылдарға фторсутек қышқылы (алкильдеу процесінде), фосфор қышқылы, толуолсульфон қышқылы, полистирол сульфонаты, гетерополи қышқылдар, цеолиттер жатады. Күшті қышқылдар эфирлердің гидролизі мен трансэстерлендіруін катализдейді, мысалы, майларды биодизельге өңдеу үшін. Механизм тұрғысынан, карбонил оттегі протондануға бейім, бұл карбонил көміртегінің электрофилдігін арттырады.

Қатты қышқыл катализаторлары

Өнеркәсіптік химияда көптеген процестер "қатты қышқылдар" арқылы катализдейді. Қатты қышқылдар реакциялық ортада ерімейді. Белгілі мысалдарға Льюис қышқылдары ретінде жұмыс істейтін оксидтер жатады: кремний алюминаттары (зеолиттер, алюмина, кремний алюминофосфат), сульфатталған циркония және көптеген өтпелі металл оксидтері (титания, циркония, ниобия және басқалары). Мұндай қышқылдар крекингте қолданылады. Көптеген қатты Брёнстед қышқылдары да өнеркәсіптік тұрғыда қолданылады, оның ішінде сульфондалған полистирол, сульфондалған көміртек, қатты фосфор қышқылы, ниоб қышқылы және гетерополиоксметаллаттар. Әсіресе кең ауқымды қолданылуы – алкилдеу, мысалы, бензол мен этиленді біріктіріп этилбензол алу. Тағы бір маңызды қолданылуы – циклогексанон оксимін капролактамға түрлендіру. Көптеген алкиламиндер қатты қышқылдар катализдейтін спирттерді аминациялау арқылы дайындалады. Бұл жағдайда қышқыл нашар кететін топ болып табылатын OH- тобын жақсы кететін топқа айналдырады. Сондықтан қышқылдар спирттерді тиолдар және аминдер сияқты басқа да қосылыстарға түрлендіру үшін қолданылады.

Механизм

Қышқыл катализінің екі түрі бар: нақты қышқыл катализі және жалпы қышқыл катализі.

Жалпы катализ

Жалпы қышқыл катализінде протонды тапсыра алатын барлық заттар реакция жылдамдығының артуына үлес қосады. Ең күшті қышқылдар ең тиімді болады. Протонның берілуі жылдамдық шектеуші фактор болып табылатын реакциялар жалпы қышқыл катализін көрсетеді, мысалы, диазоний қосылу реакциялары. pH тұрақты деңгейде ұсталып, буферлік концентрация өзгертілгенде, жылдамдық өзгеруі жалпы қышқыл катализінің болуын көрсетеді. Тұрақты жылдамдық – нақты қышқыл катализаторының бар екенін көрсетеді. Реакциялар полярлы емес ортада жүргізілгенде, бұл типтегі катализ маңызды, себебі қышқыл көбінесе иондалмайды. Ферменттер жалпы қышқыл және жалпы негіз катализін пайдаланып реакцияларды катализдейді.