Kyselá katalýza

Kyselá katalýza se obvykle používá u organických reakcí; jako zdroj protonů může být použito mnoho různých kyselin, jako jsou kyselina fluorovodíková (při alkylacích), fosforečná, p-toluensulfonová, polystyrensulfonát, heteropolykyseliny a zeolity.

Hydrolytické a transesterifikační reakce esterů, například při zpracovávání tuků na bionaftu, bývají katalyzovány silnými kyselinami.

Karbonylový kyslík je náchylný k protonaci, což zvyšuje elektrofilitu karbonylového uhlíku.

Zeolit ZSM-5 je častým pevným kyselým katalyzátorem.

V chemickém průmyslu se mnoho pochodů katalyzuje „kyselinami v pevném skupenství“, které se nerozpouští v reakční směsi. Jako příklady lze použít následující oxidy, fungující jako Lewisovy kyseliny: silikoalumináty (zeolity, oxid hlinitý, silikoaluminofosfáty), sulfatovaný oxid zirkoničitý a řadu přechodných kovů (například titaničitý, zirkoničitý a niobičný). Používají se též některé Brønstedovy kyseliny, například sulfonovaný polystyren, sulfonovaný uhlík,[1][2] pevná kyselina fosforečná, kyselina niobičná a heteropolyoxometaláty.[3]

Významnou oblastí využití tohoto způsobu katalýzy jsou alkylační reakce, například reakce benzenu s ethenem za vzniku ethylbenzenu. Další velké využití má přesmyk cyklohexanonoximu na kaprolaktam.[4] Mnoho alkylaminů se vyrábí a připravuje aminací alkoholů katalyzovanou pevnou kyselinou. Kyselina zde přeměňuje OH⁻ na vodu, která je mnohem lepší odstupující skupinou. Kyseliny lze také použít na přeměnu alkoholů na jiné sloučeniny, například thioly.

Při specifické katalýze je katalyzátorem protonované rozpouštědlo. Rychlost reakce je přímo úměrná koncentraci protonovaných molekul rozpouštědla SH⁺.[6] Samotný kyselý katalyzátor (AH) reakci urychluje pouze posunem rovnováhy mezi S a AH ve prospěch SH⁺. Tento druh je běžný u silných kyselin v polárních rozpouštědlech jako je voda.

${\displaystyle {\ce {S + AH -> SH+ + A-}}}$

Ve vodném tlumivém roztoku rychlost reakce reaktantu R závisí na pH, ne však na koncentraci jednotlivých kyselin.

${\displaystyle {\text{rate}}=-{\frac {{\text{d}}[{\ce {R^1}}]}{{\text{d}}t}}=k{\ce {[SH+] [R^1] [R^2]}}}$

Tento druh chemické kinetiky se objevuje, pokud reaktant R¹ rychle vytváří rovnováhu se svou konjugovanou kyselinou R¹H⁺, která poté reaguje s R² na konečný produkt; například při kysele katalyzované aldolové reakci.

U obecné kyselé katalýzy mají na rychlost reakce vliv všechny složky reakční směsi schopné odštěpit protony.[7] Největší účinek mají silné kyseliny. K reakcím, při kterých je přenos protonu krokem určujícím rychlost, patří mimo jiné azokopulace.

${\displaystyle {\text{rate}}=-{\frac {{\text{d}}[{\ce {R^1}}]}{{\text{d}}t}}=k_{1}{\ce {[SH+] [R^1] [R^2]}}+k_{2}{\ce {[A^1H] [R^1] [R^2]}}+k_{3}{\ce {[A^2H] [R^1] [R^2]}}+...}$

Pokud je pH stálé, ale koncentrace pufru se mění, tak změna rychlosti reakce ukazuje na obecně katalytický mechanismu. Stálá rychlost dokazuje specifický mechanismus. Když se reakce provádí v nepolárních rozpouštědlech, tak je tento druh reakce důležitý, protože kyselina většinou není ionizována.

Enzymy katalyzované reakce probíhají obecným mechanismem.