Кислотно-основной катализ
Первые результаты, полученные при изучении катализа кислотами и основаниями в водных растворах, послужили одним из экспериментальных оснований для создания теории электролитической диссоциации С. Аррениусом. Дальнейшие исследования по кислотно-основному катализу привели к разработке теории сопряженных кислот и оснований Дж. Бренстедом.
Катализ ионами водорода или ионами гидроксила называется специфическим кислотно-основным катализом, а катализ сопряженными кислотами или основаниями называется общим кислотно-основным катализом.
Напомним, что сопряженной кислотно-основной парой согласно теории Дж. Бренстеда и Т. Лоури служат соединения НА и В−, принимающие участие в реакции:
НА + В− ® НВ + А−,
кислота основание
или
НВ + А−® НА + В−.
кислота основание
Протолитические реакции (реакции передачи протона от кислоты к основанию) обратимы и в системе устанавливается протолитическое равновесие:
НА + В− D НВ + А−.
Механизм кислотно-основного катализа включает в себя реакцию передачи протона от кислоты к превращаемому веществу при катализе кислотой и отщепление протона от превращаемого соединения при катализе основанием.
Вещество, превращение которого ускоряет катализатор, принято называть субстратом.
Если условно обозначить субстрат HSt, то его реакции с кислотой и основанием можно представить следующим образом:
К а т а л и з к и с л о т о й:
HSt + HA D HStH+ + A−,
HstH+ D ПH+,
ПH+ + B− D П + HB,
HB + A− D HA + B−.
К а т а л и з о с н о в а н и е м:
HSt + B− D St− +HB,
St− D П−,
П− + HA D П + A−,
HB + A− D HA + B−.
В приведенных схемах П - продукт реакции.
Как видно из приведенных схем, первой стадией катализа кислотой является обмен протоном между кислотой и субстратом. Присоединение протона к субстрату приводит к ослаблению связей в комплексной частице, что облегчает перегруппировку. Затем протон переходит к основанию B−,а от кислоты НВ - к основанию А−.
Первой стадией катализа основанием является отщепление протона от субстрата с последующей перегруппировкой анионной частицы. Далее к анионной форме продукта реакции присоединяется протон, приводя его к конечной форме. Основание А− далее отщепляет протон от кислоты НВ, возвращая катализатор в исходное состояние.
Схему катализа кислотой иллюстрирует реакция гидратации олефинов в присутствии кислоты с образованием спиртов:
R-CH=CH2 + H+ D R-CH2-+CH2,
R-CH2-+CH2 + H2O D R-CH2- +CH2,
\
OH2
R-CH2-+CH2 + H2O D R-CH2-CH2-+OH2,
R-CH2-CH2-OH + H+.
Случаи кислотно-основного катализа весьма многочисленны. С участием кислот происходят реакции галоидирования кетонов, образование рацематов и оптически активной глюкозы. В промышленности кислотно-основной катализ используется для проведения реакций гидролиза.
В заключение отметим, что большое практическое значение в органической химии имеет катализ кислотами по Льюису, которые являются акцепторами электронных пар. К их числу относятся галогениды бора, алюминия, цинка, олова, ртути и др. С помощью этих катализаторов проводятся реакции алкилирования ароматических углеводородов, гидратация ацетилена, крекинг нефти и др. Катализ кислотами по Льюису называется электрофильным катализоми подробно рассматривается в органической химии.
Дата добавления: 2015-07-22; просмотров: 1080;