Гомогенный катализ

редактировать

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. Этот термин используется почти исключительно для описания растворов и подразумевает катализ металлоорганическими соединениями. Гомогенный катализ - это устоявшаяся технология, которая продолжает развиваться. Иллюстративным основным приложением является производство уксусной кислоты. Ферменты являются примерами гомогенных катализаторов.

СОДЕРЖАНИЕ
  • 1 Примеры
    • 1.1 Кислотный катализ
    • 1.2 Переходный металл-катализ
    • 1.3 Ферменты (включая металлоферменты)
  • 2 Достоинства и недостатки
    • 2.1 Преимущества
    • 2.2 Недостатки
  • 3 См. Также
  • 4 ссылки
Примеры
Комплекс ограниченной геометрии. Такие предкатализаторы используются для производства полиолефинов, таких как полиэтилен и полипропилен.

Кислотный катализ

Основная статья: кислотный катализ

Протон - это распространенный гомогенный катализатор, 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

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 включают «добавления HX», где X = силил ( гидросилилирование ) и CN ( гидроцианирование ). Большинство крупномасштабных промышленных процессов гидрирования - маргарина, 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.

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. Метатезис олефинов обычно гетерогенно катализируется в промышленности, но гомогенные варианты ценны в тонком химическом синтезе.

Окисления

Гомогенные катализаторы также используются в различных процессах окисления. В процессе Ваккера ацетальдегид получают из этилена и кислорода. Многие неорганические комплексы также широко используются в катализе, например, для производства терефталевой кислоты из ксилола. Алкены эпоксидируются и дигидроксилируются комплексами металлов, как показано на примере процесса Halcon и дигидроксилирования Шарплесса.

Ферменты (включая металлоферменты)

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. Спрос на акриламид в США по состоянию на 2007 год составлял 253 000 000 фунтов (115 000 000 кг).

Преимущества и недостатки

Преимущества

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

Недостатки

  • Отделение гомогенных катализаторов от продуктов может оказаться сложной задачей. В некоторых случаях с использованием высокоактивных катализаторов 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 lt;100 ° C. Однако некоторые катализаторы на основе клещей работают при температуре около 200 ° C.
Смотрите также
использованная литература
  1. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) " катализатор ". DOI : 10,1351 / goldbook.C00876
  2. ^ PWNM ван Лиувен JC Чедвик (2011). Гомогенные катализаторы: активность - стабильность - дезактивация. Wiley-VCH, Weinheim. ISBN   9783527635993. .
  3. ^ 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.
  4. ^ Р.П. Белл "Протон в химии", Chapman and Hall, London, 1973. Doi : 10.1016 / 0022-2860 (76) 80186-X
  5. ^ 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.cdiv class="ht". ISBN   9783527328970.
  6. ^ Elschenbroich, C. «Organometallics» (2006) Wiley-VCH: Weinheim. ISBN   978-3-527-29390-2
  7. ^ 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.
  8. ^ 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.
  9. ^ Г.О. Спессард и Г.Л. Мисслер "Металлоорганическая химия", Прентис-Холл, Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси, 1997, стр. 249-251.
  10. ^ Хайбах, Майкл С.; Кунду, Сабудж; Брукхарт, Морис; Гольдман, Алан С. (2012). "Метатезис алканов тандемным катализом дегидрирования алканов-олефинов и родственной химии". Счета химических исследований. 45 (6): 947–958. DOI : 10.1021 / ar3000713. PMID   22584036.
Последняя правка сделана 2023-04-16 08:28:59
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте