La catálisis ácido y la catálisis básica es el proceso por el cual una reacción química es catalizada (aumento de la velocidad de una rección química) debido a la participación de un ácido o una base. El ácido es a menudo el protón y la base es a menudo un ion hidroxilo. Las reacciones típicas catalizadas por la transferencia de protón son esterificaciones y reacciones aldol. En estas reacciones el ácido conjugado del grupo carbonilo es un mejor electrófilo que el grupo neutro carbonilo a sí mismo. La catálisis por el ácido o por la base puede ocurrir de dos modos diferentes: catálisis específica y catálisis general.
Catálisis ácida:
Cuando se estudia una reacción susceptible de ser catalizada por ácidos ó bases, se procede generalmente a estudiar la reacción a pH constante para encontrar una ecuación cinética, y a continuación se estudia la influencia que el pH pueda tener en la constante (ó constantes) de velocidad (k) de la ecuación cinética obtenida.
En el caso más general se encontraría que k responde a la siguiente expresión:
Dependiendo de que término predomine se habla de catálisis ácida específica, ó catálisis básica específica.
Muchas veces ocurre que al utilizar un ácido débil para mantener el pH, el ácido (AH), la base conjugada (A-), ó ambos, actúan también como catalizadores. En el caso más general resultaría que la constante k vendría dada por la expresión:
Cuando los términos predominantes en la expresión anterior son los correspondientes a AH ó A-, se habla de catálisis ácida ó básica general.
El mecanismo:
No resulta fácil generalizar sobre mecanismos de catálisis ácido-base. No obstante, con mucha frecuencia nos encontraremos etapas del mecanismo que implican la transferencia de un H+ de una molécula de reactivo al catalizador, ó a la inversa. Este tipo de etapas de transferencia protónica tienen especial importancia en química orgánica, y en mucha de las etapas de los mecanismos de reacciones catalizadas por enzimas.
Características:
Adecuada para el procesamiento de materias primas que contienen altos niveles de ácidos grasos libres, tales como las grasas animales y los aceites usados.
Los catalizadores ácidos simultáneamente pueden llevar a cabo las reacciones de esterificación (transformación de los ácidos grasos libres) y transesterificación.
Los tiempos de reacción son mucho más lentos en comparación con la catálisis alcalina, hecho que se constituye en una limitante importante.
Catalizadores en fase homogénea, el más investigado es el ácido sulfúrico, aunque también se han estudiado opciones como el HCl, BF3 y H3PO4.
Los catalizadores homogéneos conllevan una serie de problemas por los aspectos de corrosión y las dificultades relacionadas con la separación y purificación de los productos.
Por lo anterior se ha mostrado un interés creciente en el desarrollo de catalizadores sólidos entre los que se encuentran: compuestos orgánicos de estaño y titanio, acetatos alcalinos, ácidos de Lewis, carbonatos alcalinos, y carbonatos alcalinotérreos.
Se utiliza bastante como un proceso de pre-esterificación.
Por analogía con la catálisis ácida, la catálisis básica o alcalina
específica es característica de aquellas reacciones en las que ocurre una deprotonación rápida y
reversible del sustrato antes de la etapa lenta, determinante de la velocidad.
En la catálisis básica general actúan bases distintas del OH-. Así, en la brumación de la acetona catalizada por bases efectuada en disolución en un tampón acetato puede verse que:
De nuevo por analogía con la catálisis ácida, se sabe que la catálisis básica general es característica de aquellas reacciones en que la eliminación del protón del sustrato es la etapa lenta (determinante de la velocidad) y va seguida de una rápida conversión del intermedio en los productos finales.
Características:
La más utilizada comercialmente por la posibilidad que ofrece de trabajo en condiciones moderadas de presión y temperatura.
Los catalizadores más usados son el NaOH, y el KOH.
Sin embargo, requiere para una alta conversión que tanto el aceite como el alcohol deben ser anhidros para evitar la formación de jabones.
Igualmente, el aceite utilizado como materia prima debe tener una baja proporción de ácidos grasos libres para evitar que se neutralicen con el catalizador y se formen también jabones.
Debido a la poca solubilidad aceite en el alcohol se requiere de agitación para acelerar el proceso de reacción.
Con el fin de obtener altas conversiones, se puede o utilizar alcohol en exceso, o retirar la glicerina subproducto de la reacción. Cuando se trabaja con exceso de alcohol se maneja hasta un 60%, porcentajes mayores dificultan la separación posterior del glicerol.
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