Catalizador de transferencia de fase

Sustancia que facilita la transición de fase de un reactivo.

En química , un catalizador de transferencia de fase o PTC es un catalizador que facilita la transición de un reactivo de una fase a otra fase donde ocurre la reacción. La catálisis de transferencia de fase es una forma especial de catálisis y puede actuar a través de métodos de catálisis homogénea o catálisis heterogénea según el catalizador utilizado. Los reactivos iónicos suelen ser solubles en una fase acuosa pero insolubles en una fase orgánica en ausencia del catalizador de transferencia de fase. El catalizador funciona como un detergente para solubilizar las sales en la fase orgánica. La catálisis de transferencia de fase se refiere a la aceleración de la reacción tras la adición del catalizador de transferencia de fase.

Catálisis de transferencia trifásica líquido-líquido-líquido, Molecular Catalysis 466 (2019) 112–121

Al utilizar un proceso PTC, se pueden lograr reacciones más rápidas, obtener mayores conversiones o rendimientos , generar menos subproductos, eliminar la necesidad de solventes costosos o peligrosos que disolverán todos los reactivos en una fase, eliminar la necesidad de materias primas costosas y/o minimizar los problemas de desechos. ^[1] Los catalizadores de transferencia de fase son especialmente útiles en la química verde : al permitir el uso de agua, se reduce la necesidad de solventes orgánicos . ^{[2] [3]}

Contrariamente a la percepción común, el PTC no se limita a sistemas con reactivos hidrófilos e hidrófobos . El PTC a veces se emplea en reacciones líquido-sólido y líquido-gas. Como su nombre lo indica, uno o más de los reactivos se transportan a una segunda fase que contiene ambos reactivos.

Tipos

Los catalizadores de transferencia de fase para reactivos aniónicos suelen ser sales de amonio cuaternario . Entre los catalizadores de importancia comercial se encuentran el cloruro de benciltrietilamonio, el cloruro de metiltricaprilamonio y el cloruro de metiltributilamonio. También se utilizan sales orgánicas de fosfonio , por ejemplo, el bromuro de hexadeciltributilfosfonio. Las sales de fosfonio toleran temperaturas más altas, pero son inestables frente a las bases y se degradan a óxido de fosfina . ^[4]

Por ejemplo, la reacción de sustitución nucleofílica de una solución acuosa de cianuro de sodio con una solución etérea de 1-bromooctano no se produce fácilmente. El 1-bromooctano es poco soluble en la solución acuosa de cianuro , y el cianuro de sodio no se disuelve bien en el éter. Tras la adición de pequeñas cantidades de bromuro de hexadeciltributilfosfonio, se produce una reacción rápida para dar lugar al nonilnitrilo:

${\displaystyle {\ce {C8H17Br_{(org)}{}+ NaCN_{(aq)}->[{\ce {R4P+Br-}}] C8H17CN_{(org)}{}+ NaBr_{(aq)}}}}$

Mediante el catión fosfonio cuaternario, los iones cianuro son "transportados" de la fase acuosa a la fase orgánica. ^[5]

Trabajos posteriores demostraron que muchas de estas reacciones se pueden realizar rápidamente a temperatura ambiente utilizando catalizadores como el bromuro de tetra-n-butilamonio y el cloruro de metiltrioctilamonio en sistemas de benceno/agua. ^[6]

Una alternativa al uso de "sales cuaternarias" es convertir los cationes de metales alcalinos en cationes hidrofóbicos. En el laboratorio de investigación, se utilizan éteres corona para este propósito. Los polietilenglicoles se utilizan más comúnmente en aplicaciones prácticas. Estos ligandos encapsulan cationes de metales alcalinos (normalmente Na ⁺ y K ⁺ ), lo que produce cationes lipofílicos de gran tamaño. Estos poliéteres tienen un "interior" hidrofílico que contiene el ion y un exterior hidrofóbico .

También se han demostrado catalizadores de transferencia de fase quirales . ^[7]

Aplicaciones

El PTC se utiliza ampliamente a nivel industrial. ^[4] Por ejemplo, los poliésteres se preparan a partir de cloruros de acilo y bisfenol-A . Los pesticidas basados ​​en fosfotioatos se generan mediante la alquilación de fosfotioatos catalizada por PTC . Una de las aplicaciones más complejas del PTC implica alquilaciones asimétricas, que son catalizadas por sales de amonio cuaternario quirales derivadas de alcaloides de la quina . ^[8]

Véase también

• Transferencia iónica

Referencias

1. Katole DO, Yadav GD. Intensificación de procesos y minimización de desechos mediante catálisis de transferencia trifásica líquido-líquido-líquido para la síntesis de 2-((benciloxi)metil)furano. Molecular Catalysis 2019;466:112–21. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2019.01.004
2. JO Metzger (1998). "Síntesis orgánica sin disolventes". Angewandte Chemie International Edition . 37 (21): 2975–2978. doi :10.1002/(SICI)1521-3773(19981116)37:21<2975::AID-ANIE2975>3.0.CO;2-A. PMID  29711128.
3. Mieczyslaw Makosza (2000). "Catálisis por transferencia de fase. Una metodología ecológica general en síntesis orgánica". Pure Appl. Chem. 72 (7): 1399–1403. doi : 10.1351/pac200072071399 .
4. Marc Halpern "Catálisis por transferencia de fase" en Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley-VCH, Weinheim. doi :10.1002/14356007.a19_293
5. Starks, CM (1971). "Catálisis por transferencia de fase. I. Reacciones heterogéneas que implican transferencia de aniones mediante sales cuaternarias de amonio y fosfonio". J. Am. Chem. Soc. 93 (1): 195–199. doi :10.1021/ja00730a033.
6. Herriott, AW; Picker, D. (1975). "Catálisis por transferencia de fase. Evaluación de la catálisis". J. Am. Chem. Soc . 97 (9): 2345–2349. doi :10.1021/ja00842a006.
7. Phipps, Robert J.; Hamilton, Gregory L.; Toste, F. Dean (2012). "La progresión de los aniones quirales desde los conceptos hasta las aplicaciones en catálisis asimétrica". Nature Chemistry . 4 (8): 603–614. Bibcode :2012NatCh...4..603P. doi :10.1038/nchem.1405. PMID  22824891.
8. Takuya Hashimoto y Keiji Maruoka "Desarrollo reciente y aplicación de catalizadores de transferencia de fase quirales" Chem. Rev. 2007, 107, 5656-5682. doi :10.1021/cr068368n