Catalizzatori per trasferimento di fase: funzioni, meccanismo

I catalizzatori per trasferimento di fase (PTC) facilitano la migrazione di un reagente da una fase all’altra dove la reazione ha luogo.

Si consideri un sistema eterogeneo del tipo liquido-liquido; esso è costituito da due fasi immiscibili tra loro e generalmente una fase acquosa e una fase organica

Funzioni

I catalizzatori per trasferimento  di fase sono generalmente usati per le reazioni tra anioni o cationi e sostanze organiche.

Poiché molti anioni e cationi sono solubili in acqua ma non in solventi organici e reattivi di tipo organico non sono solubili in acqua un catalizzatore per trasferimento di fase agisce da navetta tra il solvente organico e l’acqua legandosi all’anione (catione) e trasportandolo nel solvente organico in modo che possa reagire con il reagente contenuto nel solvente organico per formare il prodotto di reazione tramite un meccanismo detto di estrazione.

I catalizzatori per trasferimento di fase usati per il trasferimento di anioni sono in genere sali di ammonio quaternari mentre quelli usati per il trasferimento di cationi sono gli eteri corona.

Esempio

Un esempio è costituito dalla reazione tra 1-cloroottano e il cianuro di sodio. La soluzione di cianuro di sodio è immiscibile con la soluzione di 1-cloroottano. La reazione di sostituzione non avviene neanche sotto agitazione, riscaldamento e lasciando agire per un tempo piuttosto lungo.

Aggiungendo un catalizzatore  come il cloruro di tetraesilammonio la reazione ha luogo nel giro di 2-3 ore con una resa prossima al 100% . Il  prodotto di reazione è l’ottanonitrile:

CH₃(CH₂)₆CH₂Cl + NaCN → CH₃(CH₂)₆CH₂CN + NaCl

In questo processo il sale di ammonio quaternario trasferisce lo ione cianuro dalla fase acquosa alla fase organica e, a seguito della reazione, trasferisce lo ione cloruro dalla fase organica a quella acquosa.

Meccanismo

Per comprendere il meccanismo della reazione proposto nel 1971 da Starks ci si riferisce a un sale di ammonio quaternario denominato quat che viene simboleggiato come Q⁺X^– dove X^– è in genere lo ione alogenuro che si solubilizza nella fase acquosa dove è presente il reagente M⁺Y^–. Nella fase organica è presente R-Y. La coppia ionica Q⁺X^– può attraversare l’interfaccia liquido-liquido diffondendosi nella fase organica dove avviene la reazione tra R e X^– con formazione di R-X che costituisce il prodotto di reazione. Q⁺ e Y^– attraversano l’interfaccia liquido-liquido dalla fase organica a quella acquosa combinandosi con M⁺X^– con formazione di Q⁺X^– e M⁺Y^– e così il ciclo può continuare.

I fattori che influenzano la reazione sono:

• Superficie interfacciale
• Natura dell’anione
• Dimensioni del catione del sale di ammonio
• Temperatura
• Agitazione
• Tipo di solvente organico

I catalizzatori per trasferimento di fase consentono l’uso di materie prime economiche e disponibili come il carbonato di potassio e l’idrossido di sodio evitando condizioni anidre, solventi costosi e sostanze tossiche quali idruri metallici e alcossidi di metalli alcalini.

Le applicazioni industriali dei catalizzatori per trasferimento di fase vanno dalla sintesi di poliesteri, pesticidi, prodotti farmaceutici e cosmetici.