酸触媒

酸触媒は主に有機化学反応に用いられます。多くの酸がプロトンの供給源として機能します。酸触媒として用いられる酸には、フッ化水素酸（アルキル化反応）、リン酸、トルエンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、ヘテロポリ酸、ゼオライトなどがあります。

強酸は エステルの加水分解やエステル交換反応を触媒し、例えば脂肪をバイオディーゼルに加工する際に用いられる。反応機構としては、カルボニル酸素がプロトン化されやすく、これによりカルボニル炭素の求電子性が増強される。

工業規模の化学では、多くのプロセスが「固体酸」によって触媒されます。固体酸は反応媒体に溶解しません。よく知られている例としては、ルイス酸として機能するこれらの酸化物、すなわち、ケイ酸アルミン酸塩（ゼオライト、アルミナ、ケイ酸アルミノリン酸塩）、硫酸ジルコニア、および多くの遷移金属酸化物（チタニア、ジルコニア、ニオブなど）があります。このような酸はクラッキングに使用されます。多くの固体ブレンステッド酸も工業的に使用されており、スルホン化ポリスチレン、スルホン化炭素^{[ 1 ] [ 2 ]} 、固体リン酸、ニオブ酸、およびヘテロポリオキソメタレート^{[ 3 ]}などが含まれます。

特に大規模な応用例としてはアルキル化があり、例えばベンゼンとエチレンを反応させてエチルベンゼンを得る反応などが挙げられる。もう一つの主要な応用例はシクロヘキサノンオキシムをカプロラクタムに転位させることである。^{[ 4 ]}多くのアルキルアミンは固体酸を触媒としてアルコールをアミノ化することによって調製される。この反応において、酸は脱離しにくいOH−を脱離しやすい基に変換する^。このようにして、酸はアルコールをチオールやアミンなどの他の種類の化合物に変換するために使用される。

特定の酸触媒作用では、プロトン化された溶媒が触媒となる。反応速度はプロトン化された溶媒分子SH ^+の濃度に比例する。^{[ 6 ]}酸触媒(AH)自体は、溶媒SとAH間の化学平衡をSH ⁺種に有利な方向にシフトさせることによってのみ、反応速度の加速に寄与する。この種の触媒作用は、水などの極性溶媒中の強酸でよく見られる。

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

例えば、水性緩衝溶液では、反応物Rの反応速度は系のpHに依存するが、異なる酸の濃度には依存しない。

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

この種の化学反応速度は、反応物R ^{1 が}その共役酸R ¹ H ⁺と速い平衡状態にあり、反応生成物R ²とゆっくりと反応する場合に観察されます。たとえば、酸触媒アルドール反応などです。

一般酸触媒では、プロトンを供与できるすべての種が反応速度の加速に寄与します。^{[ 7 ]}最も強い酸が最も効果的です。プロトン移動が律速段階となる反応は、例えばジアゾニウムカップリング反応のように、一般酸触媒を示します。

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

pHを一定に保ちながら緩衝液濃度を変化させた場合、反応速度の変化は一般酸触媒作用を示唆する。反応速度が一定であれば、特定酸触媒作用の証拠となる。非極性媒体中で反応を行う場合、酸がイオン化しないことが多いため、この種の触媒作用は重要となる。

酵素は、一般酸触媒作用と一般塩基触媒作用を用いて反応を触媒する。