La catalisi viene detta omogenea qualora la reazione si svolge interamente in una sola fase a cui appartiene anche il catalizzatore.
Esempi
La reazione di ossidoriduzione:
VIII + FeII → VIV + FeIII
risulta catalizzata dalla presenza di ioni CuII .
Tale è un esempio di catalisi omogenea in fase liquida dato che tutte le specie partecipanti, compreso il catalizzatore, si trovano in soluzione. Un esempio di catalisi omogenea in fase gassosa è costituito dalla degradazione dell’ozono ad opera del cloro atomico secondo la reazione:
Cl + O3 → ClO + O2
Tra le catalisi omogenee di importanza industriale si ricorda la sintesi delle aldeidi dagli alcheni per idroformilazione e il processo Wacker per la sintesi dell’acetaldeide.
Sintesi delle aldeidi dagli alcheni per idroformilazione
La reazione di idroformilazione consiste nell’addizione di un idrogeno (H- idro) e di un gruppo formil (CHO) ad un alchene. Costituisce un importante processo industriale in quanto porta alla formazione di un nuovo legame carbonio-carbonio convertibile in altri gruppi funzionali. Un esempio è costituito dalla reazione:
CH3-CH=CH2 + H2 + CO → CH3-CH2-CH2-CHO (1)
in cui il propene viene trasformato in butanale
Il primo catalizzatore impiegato per questo processo è il dicobaltoettacarbonile Co2(CO)8 trasformato in situ dall’idrogeno H2 l’idrogenotetracarbonilcobalto [HCo(CO)4] che costituisce la specie attiva.
Più recentemente è stato introdotto l’uso di un catalizzatore al rodio Rh4(CO)12. Quest’ultimo viene attualmente preferito per l’idroformilazione degli alcheni aventi basso punto di ebollizione quale il propene, mentre il catalizzatore al cobalto , anche se meno attivo, viene maggiormente utilizzato per alcheni superiori.
Nel caso dell’idroformilazione del propene l’idrogeno si può addizionare al carbonio centrale e il gruppo formile in una posizione terminale ottenendosi una aldeide lineare peraltro preferita dal punto di vista industriale secondo la reazione (1).
Nel secondo caso il gruppo formil può addizionarsi al carbonio centrale e l’idrogeno a quello terminale dando luogo all’isomero ramificato secondo la reazione:
CH3-CH=CH2 + H2 + CO → (CH3)2CH-CHO ( 2-metil-propanale)
Reazione di Wacker per la sintesi dell’etanale
Tale sintesi, di importanza industriale fu approntata per la prima volta nel 1894 e prevedeva l’ossidazione dell’etene a etanale adoperando, quale catalizzatore, il dicloruro di palladio:
C2H4 + PdCl2 + H2O → CH3CHO + Pd + 2 HCl
Solo molti anni dopo, nel 1962 fu impiegato il cloruro di rame (II) per rigenerare il palladio che viene riossidato e ciò consentì di applicare il processo su scala industriale secondo la reazione:
Pd + 2 CuCl2 → PdCl2 + 2 CuCl
A sua volta il cloruro di rame (I) si riossida a cloruro di rame (II) per azione dell’ossigeno in ambiente acido secondo la reazione:
2 CuCl + ½ O2 + 2 HCl → 2 CuCl2 + H2O
La reazione netta che si verifica è quindi:
C2H4 + ½ O2 → CH3CHO
La reazione di Wacker, che come l’idroformilazione degli alcheni, dà come prodotto di reazione un’aldeide è utilizzata anche per la sintesi di chetoni. Per ottenere l’acetone, infatti, si parte da propene utilizzando come catalizzatore il cloruro di palladio. La reazione è condotta in fase liquida e sotto pressione e procede con un’elevata selettività (circa il 90%); sottoprodotto della reazione è il propanale.