التحفيز الحمضي

تُستخدم الحفزية الحمضية بشكل أساسي في التفاعلات الكيميائية العضوية . يمكن للعديد من الأحماض أن تعمل كمصادر للبروتونات. تشمل الأحماض المستخدمة في الحفزية الحمضية حمض الهيدروفلوريك (في عملية الألكلة )، وحمض الفوسفوريك ، وحمض التولوين سلفونيك ، وبوليسترين سلفونات ، والأحماض غير المتجانسة ، والزيوليت .

تحفز الأحماض القوية عملية التحلل المائي وتبادل الإسترات ، على سبيل المثال في معالجة الدهون لإنتاج وقود الديزل الحيوي . من حيث الآلية، يكون أكسجين الكربونيل عرضة للبروتنة، مما يعزز خاصية جذب الإلكترونات عند كربون الكربونيل.

في الكيمياء الصناعية، تُحفز العديد من العمليات بواسطة "الأحماض الصلبة". لا تذوب الأحماض الصلبة في وسط التفاعل. ومن الأمثلة المعروفة على ذلك هذه الأكاسيد، التي تعمل كأحماض لويس: سيليكو ألومينات ( الزيوليت ، الألومينا ، سيليكو ألومينوفوسفات)، الزركونيا المكبرتة، والعديد من أكاسيد المعادن الانتقالية (التيتانيا، الزركونيا، النيوبيا، وغيرها). تُستخدم هذه الأحماض في التكسير . كما تُستخدم العديد من أحماض برونستد الصلبة صناعيًا، بما في ذلك البوليسترين المكبرت ، والكربون المكبرت، ^{[ 1 ] [ 2 ]} وحمض الفوسفوريك الصلب ، وحمض النيوبيك ، وبوليوكسوميتالات غير المتجانسة . ^{[ 3 ]}

من التطبيقات واسعة النطاق بشكل خاص عملية الألكلة ، مثل دمج البنزين والإيثيلين لإنتاج إيثيل بنزين . ومن التطبيقات الرئيسية الأخرى إعادة ترتيب أوكسيم سيكلوهكسانون إلى كابرولاكتام . ^{[ 4 ]} تُحضّر العديد من الأمينات الألكيلية عن طريق أمينة الكحولات، باستخدام الأحماض الصلبة كعامل مساعد. في هذه العملية، يحوّل الحمض أيون الهيدروكسيل (OH⁻ ⁾ ، وهو مجموعة مغادرة ضعيفة، إلى مجموعة مغادرة جيدة. وبالتالي، تُستخدم الأحماض لتحويل الكحولات إلى فئات أخرى من المركبات، مثل الثيولات والأمينات.

في التحفيز الحمضي المحدد، يُعد المذيب المُبرتَن هو العامل المُحفِّز. يتناسب معدل التفاعل طرديًا مع تركيز جزيئات المذيب المُبرتَن SH ⁺ . ^{[ 6 ]} يُساهم العامل المُحفِّز الحمضي نفسه (AH) في تسريع معدل التفاعل فقط عن طريق إزاحة التوازن الكيميائي بين المذيب S وAH لصالح أيونات SH ⁺ . يُعد هذا النوع من التحفيز شائعًا للأحماض القوية في المذيبات القطبية، مثل الماء.

${\displaystyle {\ce {S + AH -> SH+ + A-}}}$

على سبيل المثال، في محلول منظم مائي ، يعتمد معدل التفاعل للمتفاعلات R على الرقم الهيدروجيني للنظام ولكن ليس على تركيزات الأحماض المختلفة.

${\displaystyle {\text{rate}}=-{\frac {{\text{d}}[{\ce {R^1}}]}{{\text{d}}t}}=k{\ce {[SH+] [R^1] [R^2]}}}$

يُلاحظ هذا النوع من الحركية الكيميائية عندما يكون المتفاعل R ¹ في حالة توازن سريع مع حمضه المرافق R ¹ H ⁺ الذي يتفاعل ببطء مع R ² لإنتاج ناتج التفاعل؛ على سبيل المثال، في تفاعل الألدول المحفز بالحمض .

في التحفيز الحمضي العام، تساهم جميع الأنواع القادرة على منح البروتونات في تسريع معدل التفاعل . ^{[ 7 ]} وتكون الأحماض الأقوى هي الأكثر فعالية. وتُظهر التفاعلات التي يكون فيها نقل البروتون هو الخطوة المحددة لمعدل التفاعل تحفيزًا حمضيًا عامًا، على سبيل المثال تفاعلات اقتران الديازونيوم .

${\displaystyle {\text{rate}}=-{\frac {{\text{d}}[{\ce {R^1}}]}{{\text{d}}t}}=k_{1}{\ce {[SH+] [R^1] [R^2]}}+k_{2}{\ce {[A^1H] [R^1] [R^2]}}+k_{3}{\ce {[A^2H] [R^1] [R^2]}}+...}$

عند تثبيت الرقم الهيدروجيني مع تغيير تركيز المحلول المنظم، يشير تغير معدل التفاعل إلى وجود حفز حمضي عام. أما ثبات معدل التفاعل فيدل على وجود حفز حمضي محدد. وعند إجراء التفاعلات في أوساط غير قطبية، يكون هذا النوع من الحفز مهمًا لأن الحمض غالبًا ما يكون غير متأين.

تقوم الإنزيمات بتحفيز التفاعلات باستخدام التحفيز الحمضي العام والتحفيز القاعدي العام.