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 una solución. Por el contrario, la catálisis heterogénea describe procesos en los que los catalizadores y el sustrato están en fases distintas, normalmente sólida y gaseosa, respectivamente. [1] El término se utiliza casi exclusivamente para describir soluciones e implica la catálisis mediante compuestos organometálicos . La catálisis homogénea es una tecnología establecida que continúa evolucionando. Una aplicación principal 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 los 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 añade H2 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 llevan a cabo con catalizadores heterogéneos. Sin embargo, las síntesis químicas finas a menudo dependen 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 lleva a cabo 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 el proceso Monsanto y en los procesos Cativa . Las reacciones relacionadas incluyen la hidrocarboxilación y la hidroesterificación .
Se producen varias poliolefinas, por ejemplo, polietileno y polipropileno, a partir de etileno y propileno mediante catálisis Ziegler-Natta . Los catalizadores heterogéneos predominan, 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]
Los catalizadores homogéneos también se utilizan en diversas 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 ilustra el proceso Halcon y la dihidroxilación de Sharpless .
Las enzimas son catalizadores homogéneos que son esenciales para la vida, pero también se aprovechan para procesos industriales. Un ejemplo bien estudiado es la anhidrasa carbónica , que cataliza la liberación de CO2 a los pulmones desde el torrente sanguíneo. Las enzimas poseen propiedades tanto de catalizadores homogéneos como heterogéneos. Como tal, generalmente se las considera una tercera categoría separada de catalizador. El agua es un reactivo común en la catálisis enzimática. Los ésteres y las amidas son lentos para hidrolizarse en agua neutra, pero las velocidades se ven afectadas drásticamente por las metaloenzimas , que pueden considerarse como grandes complejos de coordinación. La acrilamida se prepara mediante la hidrólisis catalizada por enzimas del acrilonitrilo . [8] La demanda estadounidense de acrilamida fue de 253.000.000 libras (115.000.000 kg) en 2007.