Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с гомогенного катализатора )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В химии гомогенный катализ - это катализ в растворе растворимым катализатором. Гомогенный катализ относится к реакциям, в которых катализатор находится в той же фазе, что и реагенты, в основном в растворе. Напротив, гетерогенный катализ описывает процессы, в которых катализаторы и субстрат находятся в разных фазах, обычно твердое вещество-газ, соответственно. [1] Этот термин используется почти исключительно для описания растворов и подразумевает катализ металлоорганическими соединениями . Гомогенный катализ - это устоявшаяся технология, которая продолжает развиваться. [2] Иллюстративным основным применением является производство уксусной кислоты . Ферменты являются примерами гомогенных катализаторов.[3]

Примеры [ править ]

Комплекс ограниченной геометрии . Такие предкатализаторы используются для производства полиолефинов, таких как полиэтилен и полипропилен . [4]

Кислотный катализ [ править ]

Основная статья: кислотный катализ

Протон является распространенным гомогенным катализатором [5], потому что вода является наиболее распространенным растворителем. Вода образует протоны в процессе самоионизации воды . В иллюстративном случае, кислоты ускоряют (катализируют) на гидролиз из сложных эфиров :

CH 3 CO 2 CH 3 + H 2 O ⇌ CH 3 CO 2 H + CH 3 OH

При нейтральном pH водные растворы большинства сложных эфиров практически не гидролизуются.

Переходный металл-катализ [ править ]

Механизм гидрирования алкена, катализируемый гомогенным катализатором Катализатор Уилкинсона .
Гидрирование и родственные реакции

Выдающийся класс восстановительных превращений - гидрирование . В этом процессе H 2 добавляется к ненасыщенным субстратам. Родственная методология, перенос гидрирования , включает перенос водорода от одного субстрата (донора водорода) к другому (акцептору водорода). Связанные реакции влекут за собой «добавления HX», где X = силил ( гидросилилирование ) и CN ( гидроцианирование ). Большинство крупномасштабных промышленных процессов гидрирования - маржерина, аммиака, бензола в циклогексан - проводятся с гетерогенными катализаторами. Однако для тонкого химического синтеза часто используются гомогенные катализаторы.

Карбонилирование

Гидроформилирование , известная форма карбонилирования , включает добавление H и «C (O) H» через двойную связь. Этот процесс проводится почти исключительно с растворимыми родий- и кобальтсодержащими комплексами. [6]

Связанное с этим карбонилирование - это превращение спиртов в карбоновые кислоты. MeOH и CO реагируют в присутствии гомогенных катализаторов с образованием уксусной кислоты , как это практикуется в процессах Monsanto и Cativa . Связанные реакции включают гидрокарбоксилирование и гидроэтерификацию .

Полимеризация и метатезис алкенов

Ряд полиолефинов, например полиэтилен и полипропилен, получают из этилена и пропилена с помощью катализа Циглера-Натта . Гетерогенные катализаторы преобладают, но многие растворимые катализаторы используются, особенно для стереоспецифических полимеров. [7] Метатезис олефинов обычно гетерогенно катализируется в промышленности, но гомогенные варианты ценны в тонком химическом синтезе. [8]

Окисления

Гомогенные катализаторы также используются в различных процессах окисления. По процессу Ваккера ацетальдегид получают из этилена и кислорода . Многие неорганические комплексы также широко используются в катализе, например, для производства терефталевой кислоты из ксилола . Алкены эпоксидированы и дигидроксилированы комплексами металлов, как показано с помощью процесса Halcon и дигидроксилирования Шарплесса .

Ферменты (включая металлоферменты) [ править ]

Ферменты - это гомогенные катализаторы, которые необходимы для жизни, но также используются в промышленных процессах. Хорошо изученным примером является карбоангидраза , которая катализирует выброс CO 2 в легкие из кровотока. Ферменты обладают свойствами как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов. Как таковые, их обычно рассматривают как третью, отдельную категорию катализаторов. Вода - обычный реагент ферментативного катализа. Сложные эфиры и амиды медленно гидролизуются в нейтральной воде, но на скорость сильно влияют металлоферменты , которые можно рассматривать как большие координационные комплексы. Акриламид получают путем катализируемого ферментами гидролиза акрилонитрила . [9] Спрос на акриламид в США по состоянию на 2007 год составлял 253 000 000 фунтов (115 000 000 кг).

Преимущества и недостатки [ править ]

Преимущества [ править ]

• Гомогенные катализаторы обычно более селективны, чем гетерогенные катализаторы.
• В экзотермических процессах гомогенные катализаторы отводят тепло в растворитель.
• Гомогенные катализаторы легче точно охарактеризовать, поэтому механизмы их реакции поддаются рациональному изменению. [10]

Недостатки [ править ]

• Отделение гомогенных катализаторов от продуктов может быть сложной задачей. В некоторых случаях, связанных с высокоактивными катализаторами, катализатор не удаляется из продукта. В других случаях органические продукты являются достаточно летучими, чем их можно отделить перегонкой.
• Гомогенный катализатор имеет ограниченную термическую стабильность по сравнению с гетерогенными катализаторами. Многие металлоорганические комплексы разлагаются при температуре <100 ° C. Однако некоторые катализаторы на основе клещей работают при температуре около 200 ° C. [11]

См. Также [ править ]

  • Параллельный тандемный катализ

Ссылки [ править ]

  1. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) " катализатор ". DOI : 10,1351 / goldbook.C00876
  2. ^ PWNM van Leeuwen и JC Chadwick "Однородные катализаторы: активность - стабильность - деактивация" Wiley-VCH, Weinheim, 2011. Интернет ISBN  9783527635993 .
  3. ^ PWNM ван Лиувен JC Чедвик (2011). Гомогенные катализаторы: активность - стабильность - дезактивация . Wiley-VCH, Weinheim. ISBN 9783527635993..
  4. ^ Клосин, Ежи; Fontaine, Philip P .; Фигероа, Рут (2015). «Разработка молекулярных катализаторов группы IV для высокотемпературных реакций сополимеризации этилена-α-олефина» . Счета химических исследований . 48 (7): 2004–2016. DOI : 10.1021 / acs.accounts.5b00065 . PMID 26151395 . 
  5. ^ Р.П. Белл "Протон в химии", Chapman and Hall, London, 1973. Doi : 10.1016 / 0022-2860 (76) 80186-X
  6. ^ Корнилс, мальчик; Бёрнер, Армин; Франке, Роберт; Чжан, Баосинь; Вибус, Эрнст; Шмид, Клаус (2017). «Гидроформилирование». Прикладной гомогенный катализ металлоорганическими соединениями . С. 23–90. DOI : 10.1002 / 9783527651733.ch2 . ISBN 9783527328970.
  7. ^ Elschenbroich, C. «Organometallics» (2006) Wiley-VCH: Weinheim. ISBN 978-3-527-29390-2 
  8. ^ Беккерл, Клаус; Окуда, июн; Каминский, Уолтер; Луинстра, Геррит А .; Baier, Moritz C .; Мекинг, Стефан; Риччи, Джованни; Леоне, Джузеппе; Млечко, Леслав; Вольф, Аурел; Гросс Бёвинг, Александра (2017). «Полимеризация и сополимеризация». Прикладной гомогенный катализ металлоорганическими соединениями . С. 191–306. DOI : 10.1002 / 9783527651733.ch4 . ISBN 9783527328970.
  9. ^ Охара, Такаши; Сато, Такахиса; Симидзу, Нобору; Прешер, Гюнтер; Швинд, Гельмут; Вайберг, Отто; Мартен, Клаус; Грейм, Гельмут (2003). «Акриловая кислота и производные». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. DOI : 10.1002 / 14356007.a01_161.pub2 .
  10. ^ Г.О. Спессард и Г.Л. Мисслер "Металлоорганическая химия", Прентис-Холл, Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси, 1997, стр. 249-251.
  11. ^ Хайбах, Майкл С .; Кунду, Сабудж; Брукхарт, Морис; Гольдман, Алан С. (2012). "Метатезис алканов тандемным катализом дегидрирования алканов-олефинов и связанной с ним химии". Счета химических исследований . 45 (6): 947–958. DOI : 10.1021 / ar3000713 . PMID 22584036 .