Processo Wacker: meccanismo, cinetica

Il processo Wacker è uno dei più importanti processi industriali mediante il quale l’etilene è convertito in acetaldeide in presenza di cloruro di palladio (II).
È  il tipico esempio di catalisi omogenea e fu realizzato per la prima volta nel 1956 presso la Wacker Chemie AG in Germania

La reazione complessiva può essere scritta come:
2 CH2=CH2 + O2 → 2 CH3CHO
Questa reazione è altamente esotermica e la variazione di entalpia è pari a ΔH = – 244 kJ/mol

Meccanismo del processo Wacker 

La reazione avviene in presenza di PdCl2 quale catalizzatore e di CuCl2 quale cocatalizzatore necessario alla rigenerazione del cloruro di palladio.

Nel primo stadio il complesso tetracloroplatinato (II) formatosi a seguito della reazione tra PdCl2 e HCl si lega all’etilene per dare acetaldeide:
PdCl42- + CH2=CH2  + H2O → CH3CHO + Pd + 2 HCl + 2 Cl

Questa reazione che si ritiene avvenga con la formazione dell’intermedio [PdCl3C2H4] porta alla formazione di palladio metallico.

Il catalizzatore di cloruro di palladio può essere rigenerato tramite reazione con il cloruro di rame (II):
Pd + 2 CuCl2 + 2 Cl → PdCl42- + 2 CuCl

In questa reazione di ossidoriduzione il platino passa da numero di ossidazione 0 a +2 e il rame da numero di ossidazione +2 a +1.
Il cloruro di rame (I) reagisce con acido cloridrico e ossigeno per dare cloruro di rame (II):
4 CuCl + O2 + 4 HCl → 4 CuCl2 + 2 H2O

Processo industriale

Il processo industriale è condotto secondo due modalità a uno e a due stadi rispettivamente.

processo a due stadi 1 da Chimicamo
processo a due stadi

Nel processo a stadio singolo una miscela di etene e ossigeno è alimentata in una soluzione contenente PdCl2 e CuCl2 a 3 atm e alla temperatura di 100-120°C in cui il catalizzatore è rigenerato in situ.

Nel processo a due stadi l’etilene è ossidato ad acetaldeide in una soluzione di HCl diluito contenente PdCl2 e CuCl2 a 10 atm e alla temperatura di 100-110°C.

Il calore prodotto dalla reazione è utilizzato per separare l’acetaldeide senza che si verifichi la decomposizione del catalizzatore. Quando l’attività del catalizzatore cessa la soluzione è inviata a un secondo reattore in cui è utilizzata aria per rigenerare CuCl2 che, a sua volta, rigenera il cloruro di palladio.

Cinetica

Studi cinetici sul processo Wacker hanno consentito di determinare la velocità della reazione:

velocità = k [PdCl42-] [C2H4]/[Cl]2[H+]

Questa equazione ci consente di sapere che durante il processo PdCl42- si lega all’etilene perdendo due ioni cloruro e uno ione H+. Pertanto il primo stadio coinvolge la coordinazione dell’etilene con formazione di un complesso π. Nello stadio successivo una molecola di acqua attacca il complesso formatosi.

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