Химиялық реакциялар: қышқыл және негіз катализі, Brønsted–Lowry теориясы, протондық трансфер, этерификация, альдол реакциялары. Механизмдері туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Химиялық реакция
Chemical reaction
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.
In acid catalysis and base catalysis, a chemical reaction is catalyzed by an acid or a base. By Brønsted–Lowry acid–base theory, the acid is the proton (hydrogen ion, H+) donor and the base is the proton acceptor. Typical reactions catalyzed by proton transfer are esterifications and aldol reactions. In these reactions, the conjugate acid of the carbonyl group is a better electrophile than the neutral carbonyl group itself. Depending on the chemical species that act as the acid or base, catalytic mechanisms can be classified as either specific catalysis and general catalysis. Many enzymes operate by general catalysis.
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.
Acid catalysis is mainly used for organic chemical reactions. Many acids can function as sources for the protons. Acid used for acid catalysis include hydrofluoric acid (in the alkylation process), phosphoric acid, toluenesulfonic acid, polystyrene sulfonate, heteropoly acids, zeolites. Strong acids catalyze the hydrolysis and transesterification of esters, e. g. for processing fats into biodiesel. In terms of mechanism, the carbonyl oxygen is susceptible to protonation, which enhances the electrophilicity at the carbonyl carbon.
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.
In industrial scale chemistry, many processes are catalysed by "solid acids". Solid acids do not dissolve in the reaction medium. Well known examples include these oxides, which function as Lewis acids: silico aluminates (zeolites, alumina, silico alumino phosphate), sulfated zirconia, and many transition metal oxides (titania, zirconia, niobia, and more). Such acids are used in cracking. Many solid Brønsted acids are also employed industrially, including sulfonated polystyrene, sulfonated carbon, solid phosphoric acid, niobic acid, and heteropolyoxometallates. A particularly large scale application is alkylation, e. g., the combination of benzene and ethylene to give ethylbenzene. Another major application is the rearrangement of cyclohexanone oxime to caprolactam. Many alkylamines are prepared by amination of alcohols, catalyzed by solid acids. In this role, the acid converts, OH−, a poor leaving group, into a good one. Thus acids are used to convert alcohols into other classes of compounds, such as thiols and amines.
Механизм
Қышқыл катализінің екі түрі бар: нақты қышқыл катализі және жалпы қышқыл катализі.
Two kinds of acid catalysis are recognized, specific acid catalysis and general acid catalysis.
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.
In general acid catalysis all species capable of donating protons contribute to reaction rate acceleration. The strongest acids are most effective. Reactions in which proton transfer is rate determining exhibit general acid catalysis, for example diazonium coupling reactions. When keeping the pH at a constant level but changing the buffer concentration a change in rate signals a general acid catalysis. A constant rate is evidence for a specific acid catalyst. When reactions are conducted in nonpolar media, this kind of catalysis is important because the acid is often not ionized. Enzymes catalyze reactions using general acid and general base catalysis.