Catalyse aux limites de phase - Phase-boundary catalysis

En chimie , la catalyse en limite de phase (PBC) est un type de système catalytique hétérogène qui facilite la réaction chimique d'un composant chimique particulier dans une phase non miscible pour réagir sur un site catalytique actif situé à une limite de phase . Le composant chimique est soluble dans une phase mais insoluble dans l'autre. Le catalyseur pour PBC a été conçu dans lequel la partie externe de la zéolite est hydrophobe , intérieurement elle est généralement hydrophile , nonobstant la nature polaire de certains réactifs. En ce sens, l'environnement du milieu dans ce système est proche de celui d'une enzyme . La principale différence entre ce système et l' enzyme est la flexibilité du réseau. Le réseau de la zéolite est rigide, tandis que l' enzyme est flexible.

Conception d'un catalyseur à limite de phase

Représentation schématique de l'avantage de la catalyse en phase-limite par rapport au système catalytique classique.

Représentation schématique de l'action catalytique de la catalyse en phase-frontière par rapport au système catalytique conventionnel.

Représentation schématique de la synthèse du catalyseur à limite de phase.

Les systèmes catalytiques à limite de phase (PBC) peuvent être comparés aux systèmes catalytiques conventionnels. Le PBC est principalement applicable aux réactions à l' interface d'une phase aqueuse et d'une phase organique. Dans ces cas, une approche telle que PBC est nécessaire en raison de l' immiscibilité des phases aqueuses avec la plupart des substrats organiques. Dans le PBC, le catalyseur agit à l'interface entre les phases aqueuse et organique. Le milieu réactionnel des systèmes de catalyse en limite de phase pour la réaction catalytique de phases aqueuses et organiques non miscibles se compose de trois phases; une phase liquide organique, contenant l'essentiel du substrat, une phase liquide aqueuse contenant l'essentiel du substrat en phase aqueuse et le catalyseur solide.

Dans le cas d'un système catalytique conventionnel;

• Lorsque le mélange réactionnel est vigoureusement agité, on obtient une émulsion d'apparence homogène, qui se sépare très rapidement en deux phases liquides lorsque l'agitation cesse. La ségrégation se produit par formation de bulles organiques dans l'émulsion qui se déplacent vers le bas pour former la phase aqueuse, indiquant que l'émulsion est constituée de particules dispersées de la phase aqueuse dans la phase organique.
• En raison des conditions de réaction triphasique, la réaction globale entre les substrats en phase aqueuse et en phase organique sur un catalyseur solide nécessite différents processus de transfert. Les étapes suivantes sont impliquées:
  1. transfert de phase aqueuse de la phase organique à la surface externe du catalyseur solide;
  2. transfert de phase aqueuse à l'intérieur du volume poreux du catalyseur solide;
  3. transfert du substrat de la phase aqueuse à l'interphase entre les phases aqueuse et organique
  4. transfert du substrat de l'interphase à la phase aqueuse;
  5. mélange et diffusion du substrat dans la phase aqueuse;
  6. transfert du substrat de la phase aqueuse à la surface externe du catalyseur solide;
  7. transfert du substrat à l'intérieur du volume poreux du catalyseur solide;
  8. réaction catalytique ( adsorption , réaction chimique et désorption ).

Dans certains systèmes, sans agitation vigoureuse, aucune réactivité du catalyseur n'est observée dans un système catalytique classique. ^{[1] [2] [3] [4] [5] L'} agitation et le transfert de masse de la phase organique à la phase aqueuse et vice versa sont nécessaires pour un système catalytique conventionnel. Inversement, dans le PBC, l'agitation n'est pas nécessaire car le transfert de masse n'est pas l'étape déterminant la vitesse dans ce système catalytique. Il a déjà été démontré que ce système fonctionne pour l'époxydation d'alcène sans agitation ni l'ajout d'un co-solvant pour conduire le transfert de phase liquide-liquide. ^{[1] [2] [3]} Le site actif situé sur la surface externe de la particule de zéolite était principalement efficace pour le système catalytique de limite de phase observé. ^[4]

Processus de synthèse

Une zéolithe modifiée sur laquelle la surface externe était partiellement recouverte d'alkylsilane, appelée catalyseur à limite de phase, a été préparée en deux étapes. ^{[1] [2] [3] [4] [5]} Premièrement, du dioxyde de titane provenant d'isopropoxyde de titane a été imprégné dans de la poudre de zéolite NaY pour donner l'échantillon W-Ti-NaY. Dans la seconde étape, l'alkysilane du n-octadécyltrichlorosilane (OTS) a été imprégné dans la poudre W-Ti-NaY contenant de l'eau. En raison de l'hydrophilie de la surface w-Ti-NaY, l'addition d'une petite quantité d'eau a conduit à une agrégation due à la force capillaire de l'eau entre les particules. Dans ces conditions, on s'attend à ce que seule la surface externe des agrégats, en contact avec la phase organique, puisse être modifiée avec l'OTS, et en effet presque toutes les particules se trouvaient à la limite de phase lorsqu'elles étaient ajoutées à un solvant eau-organique non miscible ( E / H). L'échantillon partiellement modifié est noté w / o-Ti-NaY. Le Ti-NaY (o-Ti-NaY) entièrement modifié, préparé sans addition d'eau dans la deuxième étape ci-dessus, est facilement mis en suspension dans un solvant organique comme prévu.

Catalyseur interphase Janus

Le catalyseur interphase Janus est une nouvelle génération de catalyseurs hétérogènes, capable de faire des réactions organiques à l'interface de deux phases via la formation d'une émulsion de Pickering.

Voir également

• Catalyseur de transfert de phase

Les références