La oxidación catalítica son procesos que dependen de catalizadores para introducir oxígeno en compuestos orgánicos e inorgánicos. Muchas aplicaciones, incluidas las que se tratan en este artículo, implican la oxidación por oxígeno. Estos procesos se llevan a cabo a gran escala para la remediación de contaminantes, la producción de sustancias químicas valiosas y la producción de energía. [1]
Los ácidos carboxílicos , las cetonas , los epóxidos y los alcoholes se obtienen a menudo por oxidación parcial de alcanos y alquenos con dioxígeno . Estos intermediarios son esenciales para la producción de bienes de consumo. La oxidación parcial es un desafío porque la reacción más favorecida entre el oxígeno y los hidrocarburos es la combustión .
El ácido sulfúrico se produce a partir del trióxido de azufre, que se obtiene por oxidación del dióxido de azufre. Los fosfatos de calidad alimentaria se generan por oxidación del fósforo blanco. El monóxido de carbono presente en los gases de escape de los automóviles se convierte en dióxido de carbono en los convertidores catalíticos .
Los ejemplos de importancia industrial incluyen sustratos tanto inorgánicos como orgánicos.
La catálisis de oxidación se lleva a cabo tanto mediante catálisis heterogénea como mediante catálisis homogénea . En los procesos heterogéneos, el sustrato gaseoso y el oxígeno (o aire) pasan por encima de catalizadores sólidos. Los catalizadores típicos son el platino y los óxidos de hierro, vanadio y molibdeno con actividad redox. En muchos casos, los catalizadores se modifican con una serie de aditivos o promotores que mejoran las velocidades o las selectividades.
Los catalizadores homogéneos importantes para la oxidación de compuestos orgánicos son los carboxilatos de cobalto, hierro y manganeso. Para conferir una buena solubilidad en el disolvente orgánico, estos catalizadores suelen derivarse de ácidos nafténicos y ácido etilhexanoico , que son altamente lipofílicos. Estos catalizadores inician reacciones en cadena de radicales, autooxidación que produce radicales orgánicos que se combinan con el oxígeno para dar intermedios de hidroperóxido . Generalmente, la selectividad de la oxidación está determinada por las energías de enlace. Por ejemplo, los enlaces CH bencílicos se reemplazan por oxígeno más rápido que los enlaces CH aromáticos. [2]
Se han desarrollado muchos catalizadores de oxidación selectiva para producir productos químicos finos de interés farmacéutico o académico. Algunos ejemplos ganadores del Premio Nobel son la epoxidación de Sharpless y la dihidroxilación de Sharpless .
Las oxidaciones catalíticas son comunes en biología, especialmente porque la vida aeróbica subsiste con energía obtenida por oxidación de compuestos orgánicos por el aire. A diferencia de los procesos industriales, que están optimizados para producir compuestos químicos, las oxidaciones biológicas productoras de energía están optimizadas para producir energía. Muchas metaloenzimas median estas reacciones.
Las pilas de combustible se basan en la oxidación de compuestos orgánicos (o hidrógeno) mediante catalizadores. Los calentadores catalíticos generan calor sin llama a partir de un suministro de combustible y oxígeno del aire como oxidante .
El principal desafío en la oxidación catalítica es la conversión de metano en metanol. La mayor parte del metano se encuentra estancado , es decir, no se encuentra cerca de áreas metropolitanas. En consecuencia, se quema (se convierte en dióxido de carbono). Un desafío es que el metanol se oxida más fácilmente que el metano. [3]
La oxidación catalítica con oxígeno o aire es una de las principales aplicaciones de la química verde . Sin embargo, hay muchas oxidaciones que no se pueden lograr de manera tan directa. La conversión de propileno en óxido de propileno se realiza normalmente utilizando peróxido de hidrógeno , no oxígeno o aire.