7. Гомогенный катализ

Гомогенный катализ протекает в жидкой и значительно реже в газовой фазе. Различают кислотный (основной), металлокомплексный и ферментативный виды гомогенного катализа. Гомогенный катализ наиболее распространён в производстве органических соединений.

7.1. Кислотный (основной) катализ

Реакции в растворах часто ускоряются в присутствии веществ, относящихся к разновидностям кислот и оснований, названных именами Аррениуса, Льюиса, Бренстеда.

По общепринятому определению, данному в 1884 г. Сванте Аррениусом, кислота – соединение, дающее при диссоциации в воде катионы Н⁺, а основание – анионы ОН^–.

По Д. Бренстеду и Т. Лоури (1923 г.) кислота – вещество, являющееся донором протона, а основание – акцептором протона.

Кислоту и основание, связанные уравнением типа (7.1), называют сопряженными

НА ↔ Н⁺ + А^–. (7.1)

кислота протон основание

Протон в растворе обычно соединяется с молекулой растворителя, например с водой (7.2):

НА + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + А^–. (7.2)

Если молекулы растворителя не присоединяют и не отдают протоны, то растворенное вещество не проявляет ни кислотных, ни основных свойств, а сам растворитель называют апротонным.

Раствор кислоты в воде – пример системы, состоящей из двух пар сопряженных кислот и оснований, находящихся в равновесии (7.3):

НА + Н₂О ↔ Н₃О⁺ + А^–. (7.3)

кислота основание кислота основание

По Гилберту Льюису (1938 г.) кислота – это акцептор неподеленной пары электронов, а основание – вещество, являющееся донором неподелённой пары электронов, которая может быть использована для образования устойчивой электронной конфигурации другого атома. Например, в реакции (7.4):

SO₃ + H₂O ↔ H₂SO₄, (7.4)

где H₂O – основание, так как обладает свободной электронной парой, а SO₃ – кислота, так как использует эту электронную пару.

Примерами кислот Льюиса являются такие соединения, как AlCl₃, FeCl₃, CuCl₂, AlBr₃, BF₃. Примеры оснований Льюиса:NH₃, N₂H₄, NO₃^–, C₆H₆, C₆H₅N.

Теория Льюиса гораздо шире, чем предыдущие теории, но имеет некоторые недостатки:

– сомнительно толкование протонных кислот, таких как H₂SO₄, НСl и других, так как они не могут присоединять электронную пару с образованием ковалентных связей;

– несостоятельность в определении силы кислот, поскольку по Льюису, это зависит от особенностей реакции.

Каталитические реакции, ускоряемые кислотами и основаниями, представлены широким перечнем химико-технологических процессов, таких как алкилирование парафинов и аренов олефинами, гидратация алкенов и алкинов, этерификация и гидролиз сложных эфиров, полимеризация олефинов в газовой фазе. Реакции, катализируемые кислотами и основаниями, можно разделить на три вида:

– специфический кислотный или основной катализ,

– общий кислотный или основной катализ,

– электрофильный или нуклеофильный катализ.