En química, la catálisis homogénea es una catálisis en la que el catalizador está en la misma fase que los reactivos, principalmente mediante un catalizador soluble en solución. Por el contrario, la catálisis heterogénea describe procesos en los que los catalizadores y el sustrato se encuentran en fases distintas, normalmente sólido-gas, respectivamente. [1] El término se utiliza casi exclusivamente para describir soluciones e implica catálisis por compuestos organometálicos . La catálisis homogénea es una tecnología establecida que continúa evolucionando. Una aplicación importante ilustrativa es la producción de ácido acético . Las enzimas son ejemplos de catalizadores homogéneos. [2]
El protón es un catalizador homogéneo omnipresente [4] porque el agua es el disolvente más común. El agua forma protones mediante el proceso de autoionización del agua . En un caso ilustrativo, los ácidos aceleran (catalizan) la hidrólisis de ésteres :
A pH neutro, las soluciones acuosas de la mayoría de los ésteres no se hidrolizan a velocidades prácticas.
Una clase destacada de transformaciones reductoras son las hidrogenaciones . En este proceso, se agrega H 2 a sustratos insaturados. Una metodología relacionada, la hidrogenación por transferencia , implica la transferencia de hidrógeno de un sustrato (el donante de hidrógeno) a otro (el aceptor de hidrógeno). Las reacciones relacionadas implican "adiciones de HX", donde X = sililo ( hidrosililación ) y CN ( hidrocianación ). La mayoría de las hidrogenaciones industriales a gran escala (margarina, amoníaco, benceno a ciclohexano) se realizan con catalizadores heterogéneos. Sin embargo, las síntesis de química fina suelen depender de catalizadores homogéneos.
La hidroformilación , una forma destacada de carbonilación , implica la adición de H y "C(O)H" a través de un doble enlace. Este proceso se realiza casi exclusivamente con complejos solubles que contienen rodio y cobalto . [5]
Una carbonilación relacionada es la conversión de alcoholes en ácidos carboxílicos. El MeOH y el CO reaccionan en presencia de catalizadores homogéneos para dar ácido acético , como se practica en los procesos Monsanto y Cativa . Las reacciones relacionadas incluyen hidrocarboxilación e hidroesterificaciones .
Varias poliolefinas, por ejemplo polietileno y polipropileno, se producen a partir de etileno y propileno mediante catálisis de Ziegler-Natta . Predominan los catalizadores heterogéneos, pero se emplean muchos catalizadores solubles, especialmente para polímeros estereoespecíficos. [6] La metátesis de olefinas suele catalizarse de forma heterogénea en la industria, pero las variantes homogéneas son valiosas en la síntesis química fina. [7]
También se utilizan catalizadores homogéneos en una variedad de oxidaciones. En el proceso Wacker se produce acetaldehído a partir de eteno y oxígeno . Muchos complejos no organometálicos también se utilizan ampliamente en catálisis, por ejemplo, para la producción de ácido tereftálico a partir de xileno . Los alquenos se epoxidan y dihidroxilan mediante complejos metálicos, como lo ilustran el proceso Halcon y la dihidroxilación de Sharpless .
Las enzimas son catalizadores homogéneos que son esenciales para la vida pero que también se aprovechan para procesos industriales. Un ejemplo bien estudiado es la anhidrasa carbónica , que cataliza la liberación de CO 2 a los pulmones desde el torrente sanguíneo. Las enzimas poseen propiedades de catalizadores tanto homogéneos como heterogéneos. Como tales, normalmente se consideran una tercera categoría separada de catalizadores. El agua es un reactivo común en la catálisis enzimática. Los ésteres y las amidas tardan en hidrolizarse en agua neutra, pero las velocidades se ven marcadamente afectadas por las metaloenzimas , que pueden verse como grandes complejos de coordinación. La acrilamida se prepara mediante la hidrólisis de acrilonitrilo catalizada por enzimas . [8] La demanda estadounidense de acrilamida fue de 253.000.000 de libras (115.000.000 kg) en 2007.