Catalyse homogène

En chimie, la catalyse homogène est une catalyse dans laquelle le catalyseur est dans la même phase que les réactifs, principalement par un catalyseur soluble dans une solution. En revanche, la catalyse hétérogène décrit des processus dans lesquels les catalyseurs et le substrat sont dans des phases distinctes, généralement solides et gazeuses, respectivement. Le terme est utilisé presque exclusivement pour décrire des solutions et implique la catalyse par des composés organométalliques . La catalyse homogène est une technologie établie qui continue d'évoluer. Une application majeure illustrative est la production d' acide acétique . Les enzymes sont des exemples de catalyseurs homogènes.

Le proton est un catalyseur homogène omniprésent car l'eau est le solvant le plus courant. L'eau forme des protons par le processus d' auto-ionisation de l'eau . Dans un cas illustratif, les acides accélèrent (catalysent) l' hydrolyse des esters :

CH ₃ CO ₂ CH ₃ + H ₂ O ⇌ CH ₃ CO ₂ H + CH ₃ OH

À pH neutre, les solutions aqueuses de la plupart des esters ne s’hydrolysent pas à des taux pratiques.

Les hydrogénations sont une classe importante de transformations réductrices . Dans ce processus, H2 _est ajouté à des substrats insaturés. Une méthodologie connexe, l'hydrogénation par transfert , implique le transfert d'hydrogène d'un substrat (le donneur d'hydrogène) à un autre (l'accepteur d'hydrogène). Les réactions apparentées impliquent des « ajouts HX » où X = silyle ( hydrosilylation ) et CN ( hydrocyanation ). La plupart des hydrogénations industrielles à grande échelle (margarine, ammoniac, benzène-cyclohexane) sont réalisées avec des catalyseurs hétérogènes. Les synthèses chimiques fines, cependant, reposent souvent sur des catalyseurs homogènes.

L'hydroformylation , une forme importante de carbonylation , implique l'addition de H et de « C(O)H » à travers une double liaison. Ce processus est presque exclusivement réalisé avec des complexes solubles contenant du rhodium et du cobalt .

Une carbonylation apparentée est la conversion d'alcools en acides carboxyliques. MeOH et CO réagissent en présence de catalyseurs homogènes pour donner de l'acide acétique , comme cela est pratiqué dans les procédés Monsanto et Cativa . Les réactions apparentées comprennent l'hydrocarboxylation et l'hydroestérification .

Un certain nombre de polyoléfines, par exemple le polyéthylène et le polypropylène, sont produites à partir d'éthylène et de propylène par catalyse Ziegler-Natta . Les catalyseurs hétérogènes dominent, mais de nombreux catalyseurs solubles sont utilisés en particulier pour les polymères stéréospécifiques. La métathèse des oléfines est généralement catalysée de manière hétérogène dans l'industrie, mais les variantes homogènes sont précieuses dans la synthèse chimique fine.

Les catalyseurs homogènes sont également utilisés dans diverses oxydations. Dans le procédé Wacker , l'acétaldéhyde est produit à partir d'éthène et d'oxygène . De nombreux complexes non organométalliques sont également largement utilisés en catalyse, par exemple pour la production d' acide téréphtalique à partir de xylène . Les alcènes sont époxydés et dihydroxylés par des complexes métalliques, comme l'illustrent le procédé Halcon et la dihydroxylation Sharpless .

Les enzymes sont des catalyseurs homogènes essentiels à la vie, mais également utilisés dans les processus industriels. Un exemple bien étudié est l'anhydrase carbonique , qui catalyse la libération de CO2 _dans les poumons à partir de la circulation sanguine. Les enzymes possèdent à la fois les propriétés de catalyseurs homogènes et hétérogènes. En tant que telles, elles sont généralement considérées comme une troisième catégorie distincte de catalyseurs. L'eau est un réactif courant dans la catalyse enzymatique. Les esters et les amides s'hydrolysent lentement dans l'eau neutre, mais les taux sont fortement affectés par les métalloenzymes , qui peuvent être considérés comme de grands complexes de coordination. L'acrylamide est préparé par hydrolyse enzymatique de l'acrylonitrile . La demande américaine d' acrylamide était de 253 000 000 livres (115 000 000 kg) en 2007.

• Les catalyseurs homogènes sont souvent plus sélectifs que les catalyseurs hétérogènes.
• Pour les processus exothermiques, les catalyseurs homogènes rejettent de la chaleur dans le solvant.
• Les catalyseurs homogènes sont plus faciles à caractériser, ce qui rend leurs mécanismes de réaction faciles à manipuler rationnellement.

• La séparation des catalyseurs homogènes des produits peut être difficile. Dans certains cas impliquant des catalyseurs à haute activité, le catalyseur n'est pas éliminé du produit. Dans d'autres cas, la distillation peut extraire les produits organiques volatils.
• Les catalyseurs homogènes ont une stabilité thermique limitée par rapport aux catalyseurs hétérogènes. De nombreux complexes organométalliques se dégradent en dessous de 100 °C. Certains catalyseurs à pince fonctionnent cependant à près de 200 °C.