Catalisis y Quimica Verde Examen

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Principio #9: 
Maximización del uso de 
catalíticos (Catálisis)
Dra. M. Cartagena
Química Verde – CHEM 3370
Objetivos para el tema de catálisis
• Explicar por qué la catálisis es “verde”.
• Diferenciar entre las características de catálisis
heterogénea y catálisis homogénea.
• Describir ejemplos de procesos en donde se utilice
catálisis.
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¿Por qué la catálisis es parte de la Química Verde?
Utilizar catalíticos debería reducir:
• energía
• el uso estequiométrico de los reactivos
• productos secundarios no deseados
(particularmente si la catálisis es altamente
selectiva)
• desperdicios
Recordando los 12 principios de la Química Verde:
1. Es mejor prevenir la producción de desperdicios que limpiarlos luego de que son
obtenidos.
6. El uso de la energía debe ser minimizado. Las reacciones (métodos sintéticos) deben
ser realizados a temperatura ambiente y presión normal.
9. Potenciación de usos de catalizadores.
Materials
including
plant
Energy Waste
Risk and
Hazards
Toxicity
Impact on the
environment
Cost
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¿Qué es catálisis? ¿Qué es un catalizador?
• Es el proceso por el cual se puede acelerar la velocidad de
una reacción química añadiendo una sustancia conocida
como catalizador.
• Un catalizador es una sustancia que facilita que una reacción
química pueda ocurrir sin consumirse en el proceso.
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catalítico
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¿Qué es catálisis? ¿Qué es un catalizador?
• Los catalizadores funcionan:
• reduciendo la energía del estado de transición, es decir,
disminuyendo la energía de activación y/o
• cambiando el mecanismo de la reacción
• Esto provoca un cambio en la naturaleza y la energía del
estado de transición.
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¿Cómo funcionan los catalizadores?
Tipos de catálisis
• Hay tres tipos de catálisis:
• Homogénea: el catalizador está presente en la misma fase que las
especies que reaccionan: todos son gases, todos en solución
acuosa, etc.
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Tipos de catálisis
• Hay tres tipos de catálisis:
• Heterogénea: el catalizador y los reactivos están en fase distinta,
por ejemplo, el catalizador está en fase sólida mientras que los
reactivos se encuentran en fase gaseosa.
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Tipos de catálisis
• Hay tres tipos de catálisis:
• Enzimática: ocurre sólo en seres vivos, y en estos casos los
catalizadores son llamados enzimas (macromoléculas formadas de
aminoácidos).
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Catálisis de transferencia de fase
• Es una catálisis que facilita la migración de los reactantes
en sistemas heterogéneos de una fase a otra fase en una
reacción química.
• Reactantes iónicos son altamente solubles en fases
acuosas pero insoluble en fases orgánicas excepto
cuando el catalítico de transferencia de fase está
presente.
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Ventajas de la catálisis de transferencia de fase
• Eliminación de solventes orgánicos
• Alto rendimiento y pureza de los productos
• Simplicidad del proceso
• Baja energía consumida
• Bajo costo
• Generación mínima de desperdicios
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Desventajas de los catalizadores
Muchos de los catalizadores contienen metales pesados y pueden ser
tóxicos (ej. oxidación con Cr(VI) como catalítico). Por lo que los
siguientes factores deben considerarse cuando estamos en la búsqueda
de un catalítico para nuestras reacciones químicas:
• separación de los residuos del catalítico del producto
• reciclar el catalítico
• degradación del catalítico
• toxicidad del catalítico, de los residuos del catalítico y de los
productos de degradación del catalítico
En general, es más “verde” utilizar los catalíticos que no utilizarlos.
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Heterogénea
Fácil separación
Fácil reciclaje/ regeneración 
Larga vida 
Barato 
Velocidades bajas (difusión limitada) 
Sensitivos 
Baja selectividad
“High energy process” 
“Poor mechanistic understanding” 
Homogénea
Difícil para separar
Difícil de recuperar
Corta vida
Costosos 
Altas velocidades de reacción
Resistentes
Altamente selectivos
Condiciones suaves
Mecanismos conocidos
Meta: combinar velocidades altas y la alta selectividad
de catalíticos homogéneos con la facilidad de 
recuperación/reciclaje de los catalíticos heterogéneos
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Ventajas y desventajas del uso de catalíticos
La catálisis heterogénea es utilizada mayormente en síntesis en masa (grandes cantidades).
Farmacéuticas tienden a utilizar la catálisis homogénea.
Ventajas de catálisis enzimática
• Alta estereoespecificidad (posibilidad de síntesis asimétrica)
• Alta especificidad de sustrato (alta quimioselectividad)
• Solubles en agua
• Naturales (no tóxicos y de poco riesgo)
• Operan en condiciones del cuerpo humano (condiciones suaves de
pH, temperatura, etc.)
• Proteínas diseñadas para trabajar en H2O
• Biodegradables
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Ventajas en general del uso de catalíticos
• Uso en pequeñas cantidades – reducción del consumo de energía
• Generación pocos residuos – disminución de reactivos y contaminantes
que generan un gran impacto ambiental.
• Aumento de la selectividad – disminución en las necesidades de
separación como consecuencia del aumento en los rendimientos y la
selectividad
• Funcionan a bajas temperaturas
• Permiten la recuperación
• Enzimáticos (biocatálisis)
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AcOH, HCl,
Al waste HCl
AcOH
NH3
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Estudio de caso: Ibuprofen (Boots synthesis)
AcOH
Todos los pasos envuelven el uso de catalíticos
99 % conversión
96 % selectividad
Menos cantidad de 
residuos generados
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Estudio de caso: Ibuprofen (Hoechst synthesis)
Catálisis heterogénea
Este tipo de catálisis tiene siete etapas:
1. Difusión
• del sustrato hacia la superficie del catalítico
2. Fisisorción
• absorción física via interacciones débiles (van der Waals), adhiriendo el sustrato a la
superficie.
3. Chemisorción
• formación de enlaces químicos entre la superficie y el sustrato.
4. Migración
• del sustrato enlazado al sitio activo del catalítico - también conocido como difusión de
superficie.
5. Reacción
6. Desorción
• de los productos de la superficie
7. Difusión
• fuera de la superficie.
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Catálisis Heterogénea
Superficie
A B C C
Etapa 1: DifusiónEtapa 2: FisisorciónEtapa 3: ChemisorciónEtapa 4: Difusión de superficieEtapa 5: Reacción
A C B C
Etapa 6: DesorciónEtapa 7: Difusión
M
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Superficie
M
Sitios activos
están en los poros
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Catálisis Heterogénea
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Catálisis Heterogénea
Sitios activos
están en los poros
…y cada poro contiene muchos sitios activos
Catálisis heterogénea ácido-base 
Aproximadamente 130 procesos industriales utilizan catálisis
heterogénea ácido-base
• Es mayormente usada en producción en masa en
petroquímicas como por ejemplo:
• para procesos de deshidratación, condensación, alquilación,
esterificación, etc.
• La mayoría son procesos catalizados por ácidos.
Aproximadamente 180 catalíticos diferentes son usados
• 74 de estos son zeolitas, ZSM-5 es el grupo más grande.
• Segundo grupo más grande son los óxidos de Al , Si , Ti , Zr.
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Zeolitas
• En ocasiones los catalizadores ácidos líquidos de distinta fuerza
ácida pueden ser sustituidos por catalizadores ácidos sólidos.
• Entre los distintos catalizadores sólidos se encuentran las zeolitas.
• Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos de composición
variable.
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Zeolitas – aluminosilicatos hidratados, cristalinos
Polímerosinorgánicos cristalinos compuestos de SiO4 y AlO4
-
(formalmente derivados de Si(OH)4 y Al(OH)4
- con iones metálicos
balanceando la carga negativa).
La naturaleza de hidratación de las zeolitas le 
permiten comportarse como ácidos de Brønsted.
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Top-view Side-view
Zeolitas en tres dimensiones – un catalítico altamente poroso.
5.5 Å
● = Si / Al
● = O
Td
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Zeolitas: ZSM-5
Zeolitas - Asahi Cyclohexanol process
Síntesis tradicional
225 °C
10 atm
Por razones de selectividad, la reacción se lleva a cabo a una conversión baja
(aprox 6% por tanque) y el vapor de ciclohexano caliente se recicla de forma
continua.
Proceso catalizado por zeolitas:
100 °C 98 % selectividad
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¿Por qué el proceso Asahi es importante? 
Tanques 1, 2 y 3
Tubería temporera entre los tanques 4 
y 6 se rompió y el vapor de 
ciclohexano provocó la explosión.
2 3 4 61
Tanque 5 removido
para reparación
225 °C
10 atm
Flixborough 1974 - 28 muertes
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https://www.unizar.es/guiar/1/Accident
/Flix.htm
https://www.unizar.es/guiar/1/Accident/Flix.htm
Zeolitas – selectividad de alquilación de tolueno (forma)
Tamaño del poro solamente permite que para-xyleno se obtenga
H-ZSM-5 cataliza:
• alquilación de tolueno
• isomerización de xileno
H-ZSM-5 
(acidic ZSM-5)
Solamente para-xileno es requerido para la síntesis de PET:
poly(ethylene terephthalate) - PET
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Catálisis homogénea - principios
Sitios activos bien definidos permiten desarrollo de catalíticos.
Típico catalítico de solo un sitio activo
Ln M
X
Ligando estéricamente impedido
controla la estereoquímica
El sustrato se aproxima por el lado de menor
impedimento estérico y puede reaccionar con X
Ej. Cp2ZrMe
+ para la 
polimerización de eteno
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Muchos de los procesos industriales realizados con catálisis homogénea se han visto
en síntesis asimétricas (muchas síntesis farmacéuticas).
Síntesis de Monsanto L-DOPA (Parkinson's disease):
28 % e.e. 60 % e.e. 85 % e.e. 95 % e.e.
L* =
0.1% del catalítico es utilizado; Rh se recupera (algo del ligando se pierde)
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Catálisis homogénea
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• Explicamos por qué la catálisis es considerada “verde”.
• Identificamos las características de la catálisis heterogénea y la
catálisis homogénea.
• Describimos ejemplos de procesos en donde se utiliza la catálisis.
Catálisis puede reducir la cantidad de materia prima necesaria, residuos 
generados y energía utilizada.
Heterogénea es fácilmente reciclable y de larga duración
Homogénea es más selectiva pero más costosa y díficil de recuperar
Asahi Cyclohexanol process
Alquilación de tolueno usando H-ZSM-5/isomerización de xileno
Hidrogenación asimétrica utilizando catálisis homogénea – Síntesis de L-DOPA de 
Monsanto
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Resumiendo
12 principios de la Química Verde (acrónimo)
P Prevent waste
R Renewable raw material
O Omit derivatization steps
D Degradable Chemical Product
U Use of safe synthetic methods
C Catalytic reagents
T Temperature, Pressure ambient
I In – process monitoring
V Very few auxiliary substrates
E E-factor, atom efficiency
L Low toxicity of chemical products
Y Yes, it is safe Dra. M. Cartagena, Ph.D. - CHEM 3370 33