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  陰離子作反應物時,相轉移催化劑常常是季銨鹽(四級銨鹽)、季𬭸鹽、鋶鹽或砷鹽。陽離子作反應物時,相應的相轉移催化劑往往是冠醚或穴醚。它們之間的相互結合,是以分子間的電性引力作用或氧/氮原子對離子的配位作用為基礎的。形成的複合物外端露出烴基單元,是疏水性的;內部則具有一個容納離子的結構,因此是親水性的。  除此之外,也有用聚乙二醇或聚乙二醇醚與正離子結合的,它們價格便宜,但催化效果往往不如冠醚。還有一類三相催化劑,它們不溶於水或有機相中,但可以加速水-有機相的反應,自身為固體構成另一相,故稱三相催化。它們大多是季銨鹽、𬭸鹽、冠醚等與高聚物(如聚苯乙烯)相連得到的固體不溶物。由於三相催化中催化劑易分離回收,故已在化工領域中引起了很大的興趣。

  以一個親核脂肪取代反應為例來說明相轉移催化的機理。將氰化鈉水溶液和溶於有機溶劑的鹵代烴1-溴辛烷混合時,取代反應並不發生:反應液為水-有機溶劑兩相體系,氰化鈉只溶於水中,1-溴辛烷只溶於有機相中。但在加入少量的四級𬭸鹽(如溴化十六烷基三丁基𬭸)後,這些PTC分子在有機相和水相中都能溶解,在水中與氰離子交換負離子,並以離子對的形式將其轉移到有機相中。由於這些氰離子的溶劑化程度很小,故活性很高,很容易與有機底物發生反應。加熱迴流90分鐘時,上述反應中的氰離子可以和1-溴辛烷定量反應,生成產物1-辛腈。改善反應條件,將反應物在苯/水體系中反應,加入溴化四丁基銨或甲基三辛基氯化銨作相轉移催化劑,則以上反應在室溫便可定量完成。  也有人認為,相轉移催化劑的親脂性很高,在水相中的濃度很低,絕大多數都停留在有機相中,只是在兩相介面處交換離子。在極性很低或非極性的溶劑中,相轉移催化劑與離子是通過離子對結合的,只有在介電常數很大的溶劑中,才有一些離子以自由離子的形式存在。  一般相轉移催化劑應用的反應都為親核取代反應,典型的無機反應物如氰化鉀、氰化鈉。但也有一些相轉移催化劑應用在有機氧化反應中,幫助無機氧化劑(如高錳酸鉀、重鉻酸鉀)溶於有機相中。

  由於相轉移催化反應的速率和產率非常高(多為90%),減少了有害有機溶劑的使用,副產物少,催化劑的用量也比較少,滿足原子經濟性的要求,故很多反應都是綠色化學的例項。相比之下,為了使反應在均相發生,以前曾需要使用一些能溶解兩種反應物的有機溶劑,比如二甲基甲醯胺、六甲基磷醯胺或二甲基亞碸。這些溶劑價格高,不易回收,對身體有害,而且如果混入一點水,對反應很不利。  相轉移催化劑不僅包括催化水相-有機相反應的催化劑,也包括固-液兩相和氣-液兩相反應中的催化劑。
相轉移催化劑(Phase transfer catalyst,PTC)是可以幫助反應物從一相轉移到能夠發生反應的另一相當中,從而加快異相系統反應速率的一類催化劑。一般存在相轉移催化的反應,都存在水溶液和有機溶劑兩相,離子型反應物往往可溶於水相,不溶於有機相,而有機底物則可溶於有機溶劑之中。不存在相轉移催化劑時,兩相相互隔離,幾個反應物無法接觸,反應進行得很慢。相轉移催化劑的存在,可以與水相中的離子所結合(通常情況),並利用自身對有機溶劑的親和性,將水相中的反應物轉移到有機相中,促使反應發生。