Catalisi omogenea di importanza industriale

La catalisi omogenea è uno dei settori più importanti della che apre strade verso nuovi composti, insieme a nuove possibilità per il controllo della reazione e la separazione del catalizzatore omogeneo dai reagenti e dal substrato.

La catalisi omogenea contribuisce a circa il 17%-30% della sintesi totale nelle industrie. La catalisi viene detta omogenea qualora la reazione si svolge interamente in una sola fase a cui appartiene anche il catalizzatore. Negli ultimi decenni il progresso nella catalisi omogenea è aumentato in modo significativo, in particolare nelle industrie farmaceutiche e dei polimeri.

Esempi di catalisi omogenea

La reazione di ossidoriduzione:

V^III + Fe^II → V^IV +  Fe^III

risulta catalizzata dalla presenza di ioni Cu^II .

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 dalla Wacker Chemie AG, multinazionale chimica tedesca 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.