Catalyseur de transfert de phase - Phase-transfer catalyst
En chimie , un catalyseur de transfert de phase ou PTC est un catalyseur qui facilite la migration d'un réactif d'une phase à une autre phase où se produit la réaction. La catalyse par transfert de phase est une forme particulière de catalyse hétérogène . Les réactifs ioniques sont souvent solubles dans une phase aqueuse mais insolubles dans une phase organique en l'absence du catalyseur de transfert de phase. Le catalyseur fonctionne comme un détergent pour solubiliser les sels dans la phase organique. La catalyse de transfert de phase fait référence à l'accélération de la réaction lors de l'ajout du catalyseur de transfert de phase.
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En utilisant un procédé PTC, on peut obtenir des réactions plus rapides, obtenir des conversions ou des rendements plus élevés, fabriquer moins de sous-produits, éliminer le besoin de solvants coûteux ou dangereux qui dissoudront tous les réactifs en une seule phase, éliminer le besoin de matières premières coûteuses et/ou minimiser les problèmes de déchets. Les catalyseurs de transfert de phase sont particulièrement utiles dans la chimie verte - en permettant l'utilisation d'eau, le besoin de solvants organiques est réduit.
Contrairement à la perception commune, la PTC ne se limite pas aux systèmes avec des réactifs hydrophiles et hydrophobes . Le CTP est parfois utilisé dans des réactions liquide/solide et liquide/gaz. Comme son nom l'indique, un ou plusieurs des réactifs sont transportés dans une deuxième phase qui contient les deux réactifs.
Les types
Les catalyseurs de transfert de phase pour les réactifs anioniques sont souvent des sels d'ammonium quaternaire . Les catalyseurs commercialement importants comprennent le chlorure de benzyltriéthylammonium, le chlorure de méthyltricaprylammonium, le chlorure de méthyltributylammonium et le chlorure de méthyltrioctylammonium. Des sels organiques de phosphonium sont également utilisés, par exemple le bromure d'hexadécyltributylphosphonium. Les sels de phosphonium tolèrent des températures plus élevées, mais sont instables vis-à-vis des bases, se dégradant en oxyde de phosphine .
Par exemple, la réaction de substitution nucléophile d'une solution aqueuse de cyanure de sodium avec une solution éthérée de 1-bromooctane ne se produit pas facilement. Le 1-bromooctane est peu soluble dans la solution aqueuse de cyanure , et le cyanure de sodium ne se dissout pas bien dans l'éther. Lors de l'ajout de petites quantités de bromure d'hexadécyltributylphosphonium, une réaction rapide s'ensuit pour donner le nonyl nitrile :
- C 8 H 17 Br(org) + NaCN(aq) → C 8 H 17 CN(org) + NaBr (aq) (catalysé par un R 4 P + Br − PTC)
Par le cation phosphonium quaternaire, les ions cyanure sont "transportés" de la phase aqueuse à la phase organique.
Des travaux ultérieurs ont démontré que de nombreuses réactions de ce type peuvent être effectuées rapidement à environ la température ambiante en utilisant des catalyseurs tels que le bromure de tétra-n-butylammonium et le chlorure de méthyltrioctylammonium dans des systèmes benzène/eau.
Une alternative à l'utilisation de "sels quat" consiste à convertir les cations de métaux alcalins en cations hydrophobes. Dans le laboratoire de recherche, les éthers couronnes sont utilisés à cette fin. Les polyéthylène glycols sont plus couramment utilisés dans des applications pratiques. Ces ligands encapsulent des cations de métaux alcalins (typiquement Na + et K + ), donnant de gros cations lipophiles. Ces polyéthers ont un "intérieur" hydrophile contenant l'ion et un extérieur hydrophobe .
Applications
Le PTC est largement exploité industriellement. Les polyesters par exemple sont préparés à partir de chlorures d'acyle et de bisphénol-A. Les pesticides à base de phosphothioates sont générés par l' alkylation catalysée par PTC de phosphothioates. L'une des applications les plus complexes de la PTC implique des alkylations asymétriques, qui sont catalysées par des sels d'ammonium quaternaire chiraux dérivés d' alcaloïdes de quinquina .