산성 촉매

산성 촉매와 염기 촉매에서 화학 반응은 산성 또는 염기에 의해 촉매된다. By Brønsted-저산-기초이론, 산은 양성자(수소이온⁺, H) 공여자, 기초는 양성자 수용자. 양성자 전이에 의해 촉매되는 대표적인 반응은 에스테르통신과 알돌반응이다. 이러한 반응에서 카보닐 그룹의 결합산은 중성 카보닐 그룹 자체보다 더 좋은 전기영양이다. 산성 또는 염기 역할을 하는 화학종에 따라 촉매 메커니즘은 특정 촉매변환과 일반 촉매변환으로 분류될 수 있다. 많은 효소가 일반 촉매에 의해 작용한다.

응용 프로그램 및 예제

브뢰네스트산

산성 촉매제는 주로 유기 화학 반응에 사용된다. 많은 산들이 양자의 공급원으로서 기능할 수 있다. 산성 촉매에 사용되는 산은 불산(알킬화 과정에서), 인산, 톨루엔설폰산, 폴리스티렌 설폰산, 이단성산, 제올라이트 등이다.

강한 산은 예를 들어 지방을 바이오디젤로 가공하기 위해 에스테르의 가수분해와 트랜세스터화를 촉진한다. 메커니즘의 측면에서 카보닐 산소는 양성화에 취약하기 때문에 카보닐 탄소의 전기영양성을 향상시킨다.

고체산 촉매

산업 규모 화학에서 많은 과정이 "고형산"에 의해 촉매된다. 고체산은 반응 매개체에서 용해되지 않는다. 잘 알려진 예로는 루이스 산으로 기능하는 이러한 산화물들이 있다: 규산알루미늄(zeolite, Alumina, silico-alumino-phosphate), 황화된 지르코니아, 그리고 많은 전이 금속 산화물(타이타니아, 지르코니아, 니오포비아 등). 그러한 산들은 균열에 사용된다. 황화 폴리스티렌, 황화탄소,^[1][2] 고체인산, 니우르산, 이단독소산염 등 많은 고체브뢰네스트산도 산업적으로 채용되고 있다.^[3]

특히 대규모 적용은 알킬화(alkylation)로, 예를 들어 에틸벤젠을 주기 위한 벤젠과 에틸렌의 조합이다. 또 다른 주요 적용 분야는 사이클로헥사논 옥사임을 카프로락탐으로 재배열하는 것이다.^[4] 많은 알킬라민은 고체산에 의해 촉매된 알코올의 아미네이션을 통해 준비된다. 이 역할에서 산은 가난한 탈퇴 그룹인 OH를⁻ 좋은 그룹으로 전환한다. 따라서 산은 알코올을 티올과 아민과 같은 다른 종류의 화합물로 변환하는데 사용된다.

메커니즘

두 종류의 산성 촉매제가 인정되는데, 특정 산성 촉매제와 일반 산성 촉매제가 인정된다.^[5]

특정 촉매변환

특정 산성 촉매에서는 양성자 용제가 촉매다. 반응률은 양성자 용매 분자 SH의⁺ 농도에 비례한다.^[6] 산성 촉매 자체(AH)는 용제 S와 AH 사이의 화학적 평형을 SH⁺ 종에 유리하게 이동시킴으로써 속도 가속화에 기여할 뿐이다. 이러한 종류의 촉매변환제는 물과 같은 극성 용매에서 강한 산에게 흔히 나타난다.

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

예를 들어 수용성 완충액에서 반응제 R의 반응률은 시스템의 pH에 따라 달라지지만 다른 산의 농도에 따라 달라지지 않는다.

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

이러한 유형의 화학적 키네틱스는 반응물질 RH와¹¹⁺ 빠른 평형 상태에 있을 때 관찰되며, 예를 들어 산성 촉매 알돌 반응에서 R과² 천천히 반응한다.

일반 촉매변환

일반적으로 양성자를 기증할 수 있는 모든 종은 반응 속도 가속화에 기여한다.^[7] 가장 강한 산이 가장 효과적이다. 양성자 전달이 요율을 결정하는 반응은 일반적인 산성 촉매반응(예: 디아조늄 결합 반응)을 나타낸다.

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

pH를 일정한 수준으로 유지하되 완충 농도를 변경할 경우, 속도의 변화는 일반적인 산성 강직의 신호를 보낸다. 일정한 비율은 특정 산성 촉매에 대한 증거다. 비극성 매체에서 반응이 일어날 때는 산이 이온화되지 않는 경우가 많기 때문에 이런 종류의 촉매제가 중요하다.

효소는 일반 산화물 및 일반 염기 촉매제를 사용하여 반응을 촉진한다.

참조