Catalyseurs en chimie. Quels sont-ils? Quels sont leurs types ?

Quelles substances peuvent être des catalyseurs ?

Les processus chimiques et les réactions catalysées se produisent en présence de certaines substances spécifiques appelées catalyseurs. Leur tâche principale dans les systèmes est de réduire l’énergie d’activation, ce qui augmente directement la vitesse du processus. Le choix d’un catalyseur est une question clé dont dépend, par exemple, l’efficacité du processus. Des composés chimiques spécifiques ou des systèmes de type noyau-coquille sont généralement utilisés comme catalyseurs. Caractéristiques de base des catalyseurs et leurs fonctions dans les systèmes :

• La présence d’un catalyseur dans une réaction n’est pas incluse dans l’équation moléculaire d’une réaction chimique car il ne réagit pas avec les substrats ou les produits .
• Une fois la réaction terminée, le catalyseur est récupéré. Ainsi, la réaction catalytique peut être qualifiée de cyclique.
• Le catalyseur doit être facilement séparable des produits obtenus de la réaction chimique.
• Le catalyseur n’affecte en rien l’état d’équilibre de la réaction et ne modifie donc pas sa thermodynamique.
• Les catalyseurs doivent avoir trois caractéristiques fondamentales : une activité élevée, une sélectivité élevée et une stabilité dans le temps.
• Les catalyseurs doivent répondre à un certain nombre d’hypothèses de base concernant leur constitution, notamment la taille appropriée des pores, la phase cristalline, la résistance à l’écrasement, le degré de réduction, les propriétés de fluidisation, la portabilité, la composition chimique moyenne, la surface effective, la taille des grains, etc.

A lire aussi : catalyse .

Exemples de catalyseurs

Les métaux

Les métaux sont de très bons catalyseurs facilement utilisés dans l’industrie. Les métaux de transition suscitent un intérêt particulier car ils peuvent exister dans deux états d’oxydation ou plus, par exemple le fer dans l’oxyde de fer (II) ou l’oxyde de fer (III). Ces métaux ont des orbitales d incomplètement remplies, ce qui leur permet de donner et d’accepter facilement des électrons provenant d’autres molécules. Ces dernières années, les catalyseurs formés à base de nanoparticules métalliques sont devenus de plus en plus importants en raison de leurs propriétés uniques. Platine – Un métal utilisé, par exemple, dans les processus d’hydrogénation ou de déshydrogénation de groupes fonctionnels en synthèse organique. La substance est chimiquement inerte et stable dans les environnements oxydants et présente une teneur élevée en humidité. À des températures supérieures à 450 ᵒC, un film de dioxyde de platine se forme à sa surface . Le platine dans les composés se présente dans plusieurs états d’oxydation, mais généralement, en tant que catalyseur, il prend les valeurs II ou IV. Outre son utilisation dans la technologie chimique, le platine est également utilisé dans les pots catalytiques automobiles. Il a la capacité de lier les atomes d’oxygène à l’oxyde de carbone (II) toxique présent dans les gaz d’échappement des véhicules. Cela produit beaucoup moins de dioxyde de carbone nocif. Palladium – Les catalyseurs au palladium sont impliqués dans une gamme de réactions organiques, telles que la cyclisation, l’hydrogénation, l’oxydation, l’isomérisation, les réactions radicalaires et autres. Ils présentent une tolérance élevée envers différents groupes fonctionnels et sont souvent capables de fournir une excellente stéréosélectivité, contribuant ainsi à éviter le besoin de groupes protecteurs spécifiques . De plus, les catalyseurs au palladium sont particulièrement efficaces, par exemple en hydrogénation sélective, permettant d’obtenir les produits souhaités en un seul cycle de réaction. Nickel – En tant que catalyseur, le nickel joue un rôle clé dans de nombreuses transformations organiques, telles que l’oxydation, la réduction, la cyclisation, la formation de liaisons carbone-hétéroatome, etc. Il se produit dans plusieurs états d’oxydation dans les composés II, III et IV. Le nickel est un élément relativement réactif, tout en présentant une grande stabilité chimique. Ce métal présente un avantage majeur : il est moins cher que les autres catalyseurs à base de métaux de transition, c’est pourquoi il est souvent utilisé comme alternative au palladium, par exemple dans les réactions de couplage. Or – Certaines réactions catalytiques sont réalisées en présence d’or. Son activité catalytique dépend fortement de la taille et de la structure des cristallites. Leur effet dépend aussi de la méthode de préparation. Les catalyseurs à base d’or sont généralement des conglomérats de cet élément avec un support approprié, qui fournit par exemple suffisamment d’oxygène pour augmenter encore l’activité de l’or. Les complexes de ce métal sont de très bons catalyseurs pour les réactions de formation de liaisons carbone-carbone, carbone-azote ou carbone-oxygène, car ils peuvent facilement activer des liaisons doubles et triples, par exemple dans les chaînes carbonées. Des exemples de réactions catalysées par l’or comprennent l’oxydation de l’oxyde de carbone (II), l’oxydation des alcools et des aldéhydes , les réactions d’époxydation, l’hydrogénation des aldéhydes et autres.

Composés inorganiques

Les composés inorganiques, en particulier les oxydes métalliques et non métalliques, les sels sélectionnés et les acides sont des exemples de catalyseurs inorganiques. Généralement, ces substances sont déposées sur des supports spéciaux, qui sont des matériaux poreux (par exemple, carbone, silice ou alumine) qui soutiennent leurs propriétés catalytiques (plus la surface du support est grande, plus la zone de contact entre les réactifs est grande). Un aspect important dans la sélection d’un composé inorganique comme catalyseur est de se laisser guider par le nombre de centres actifs dont il dispose. La présence d’un grand nombre de centres actifs, auxquels se lient les réactifs impliqués dans la réaction catalysée, augmente le rendement de la réaction. Oxyde de vanadium (V) – Les catalyseurs avec V ₂ O ₅ comme composant principal sont efficaces dans presque toutes les réactions d’oxydation. Ils jouent un rôle important dans l’industrie chimique actuelle. L’une des applications les plus importantes de ces catalyseurs est la production d’acide sulfurique. L’oxyde de vanadium (V) catalyse la réaction d’oxydation de l’oxyde de soufre (IV) en oxyde de soufre (VI), qui est ensuite absorbé dans l’acide sulfurique. Dans ces processus, le catalyseur au vanadium est appelé contact, car il se trouve dans une phase différente des autres réactifs. Dans l’industrie, il est généralement utilisé sous la forme d’un support avec une phase active appliquée à sa surface. Ses principaux avantages incluent un point d’éclair bas, une stabilité pendant le processus ou un coefficient d’absorption des poussières élevé. En plus de la production d’acide sulfurique, l’oxyde de vanadium(V) est également utilisé comme catalyseur dans la production de caoutchouc, le craquage du pétrole et la synthèse de certains composés de poids moléculaire élevé. Chlorure d’aluminium – L’utilisation la plus courante du chlorure d’aluminium comme catalyseur en synthèse organique est la réaction d’alkylation de Friedel-Crafts. AlCl ₃ est dans un état d’agrégation (phase solide) différent des autres réactifs, il s’agit donc dans ce cas d’une catalyse hétérogène. Ses propriétés catalytiques reposent principalement sur le fait qu’il s’agit d’un acide dit de Lewis en ce qui concerne sa structure chimique et ses propriétés. Sa principale caractéristique est sa capacité à accepter des paires d’électrons provenant de bases de Lewis. Le chlorure d’aluminium, en tant que catalyseur et l’acide de Lewis, se combine avec des molécules sélectionnées ou leurs fragments, après quoi des complexes de transition se forment puis se décomposent en carbocations. Acide sulfurique – L’acide sulfurique présente des propriétés catalytiques même en petites quantités pour certaines réactions chimiques. Des exemples d’une telle transformation comprennent la réaction d’estérification de l’acide acétique avec de l’éthanol ou la réaction de nitration de composés aromatiques. L’acide agit alors comme un catalyseur homogène et se trouve donc dans le système, dans la même phase que les autres réactifs. En tant qu’acide très fort, lorsqu’il est introduit dans l’environnement réactionnel, il libère des ions hydrogène qui propulsent les processus. De plus, une propriété supplémentaire de l’acide sulfurique est son hygroscopique. Les molécules d’eau formées au cours du processus d’estérification sont liées par l’acide, ce qui modifie l’équilibre et entraîne la formation d’un plus grand nombre de produits. Rappelez-vous cependant que cela ne résulte pas de la catalyse de la réaction, mais uniquement du changement de l’état d’équilibre.

Biocatalyseurs

Les biocatalyseurs sont des composés chimiques qui catalysent les réactions qui se produisent et surviennent dans le corps humain. Ce sont des éléments cruciaux dans toutes les transformations biochimiques. Non seulement ils accélèrent ces transformations, mais ils présentent également une certaine sélectivité dans la catalyse des réactions sélectionnées. Le groupe de loin le plus important de biocatalyseurs est celui des enzymes, y compris les catalyseurs non protéiques, à savoir les ribozymes. Leur qualité spécifique est leur capacité d’autocatalyse. Enzymes – Ce sont des catalyseurs hautement sélectifs qui augmentent considérablement la vitesse et la sélectivité des réactions métaboliques. Ils interviennent dans toutes les réactions chimiques de l’organisme. En tant que catalyseurs organiques (ou biocatalyseurs), les enzymes sont produites par les cellules. Il peut s’agir de protéines simples ou de protéines complexes. Ils se caractérisent par la présence de deux groupes : le groupe prothétique et le groupe aoferment. Les enzymes catalysent les réactions d’oxydation et de réduction de composés organiques complexes, le transfert de groupes fonctionnels, l’hydrolyse de liaisons de divers types, la destruction de liaisons chimiques, le changement d’isomérisation de molécules ou la formation de nouvelles liaisons covalentes. Leur rôle dans le corps humain ne peut être surestimé. Ils participent à pratiquement tous les processus vitaux, anabolisants et cataboliques. En catalysant des réactions sélectionnées, ils influencent de manière significative la direction des voies métaboliques dans le corps.