Die Katalyse spielt bei praktisch allen chemischen Verfahren eine fundamentale Rolle. Die überwiegende Mehrheit der chemischen Reaktionen und auch der biologischen Reaktionen findet in Gegenwart von Katalysatoren statt. Katalysatoren sind chemische Substanzen, die, wenn sie einem Reaktionssystem zugesetzt werden, den kinetischen Verlauf der Reaktion verändern, aber selbst nicht an der Reaktion beteiligt sind. Heutzutage werden mehr als 90% der Prozesse in der chemischen Technologie in Anwesenheit von Katalysatoren durchgeführt. Der ursprüngliche Begriff der Katalyse und der Katalysatoren wurde im 19. Jahrhundert formuliert und hat sich im Laufe der Jahre erheblich weiterentwickelt.
Chemische Prozesse und Reaktionen, die katalysiert werden, finden in Anwesenheit bestimmter spezifischer Substanzen statt, die Katalysatoren genannt werden. Ihre Hauptaufgabe in den Systemen besteht darin, die Aktivierungsenergie zu verringern, was unmittelbar zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit des ablaufenden Prozesses führt. Die Wahl des Katalysators ist eine Schlüsselfrage, von der beispielsweise die Effizienz der technologischen Prozesse abhängt. Als Katalysatoren werden in der Regel bestimmte chemische Verbindungen oder Kern-Schale-Systeme verwendet.
Grundlegende Merkmale von Katalysatoren und die Funktionen, die sie in Systemen erfüllen:
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Metalle sind sehr gute und in der Industrie gern verwendete Katalysatoren. Besonderes Interesse gilt den Übergangsmetallen, da sie auf zwei oder mehr Oxidationsstufen vorliegen können, z.B. Eisen in Eisen(II)-oxid oder Eisen(III)-oxid. Diese Metalle haben unvollständig gefüllte d-Orbitale, die es ihnen ermöglichen, leicht Elektronen abzugeben und von anderen Molekülen aufzunehmen. In den letzten Jahren haben Katalysatoren, die auf der Basis von metallischen Nanopartikeln gebildet werden, aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften zunehmend an Bedeutung gewonnen.
Platin – ist ein Metall, das unter anderem bei den Verfahren zur Hydrierung funktioneller Gruppen oder Dehydrierung in der organischen Synthese verwendet wird. Es ist chemisch inert und in oxidierender Umgebung und bei hohem Feuchtigkeitsgehalt stabil. Bei Temperaturen über 450ᵒC bildet sich auf seiner Oberfläche ein Platindioxidfilm. Platin kommt in Verbindungen in mehreren Oxidationsstufen vor, nimmt aber als Katalysator in der Regel die Werte II oder IV an. Neben seiner Verwendung in der chemischen Technologie wird Platin auch in Fahrzeugkatalysatoren verwendet. Es hat die Fähigkeit, Sauerstoffatome an das giftige Kohlenmonoxid (II) in Autoabgasen zu binden. Dadurch entsteht deutlich weniger schädliches Kohlendioxid.
Palladium – Palladiumkatalysatoren sind an einer Reihe von organischen Reaktionen wie Zyklisierung, Hydrierung, Oxidation, Isomerisierung, radikalischen Reaktionen und anderen beteiligt. Sie weisen eine hohe Toleranz für verschiedene funktionelle Gruppen auf und sind oft in der Lage, eine ausgezeichnete Stereoselektivität zu gewährleisten, was dazu beiträgt, die Notwendigkeit der Einführung spezifischer Schutzgruppen zu vermeiden. Darüber hinaus sind Palladiumkatalysatoren besonders wirksam, z.B. bei der selektiven Hydrierung, wodurch es möglich ist, die gewünschten Produkte in einem einzigen Reaktionszyklus zu erhalten.
Nickel – Als Katalysator spielt Nickel eine Schlüsselrolle bei vielen organischen Umwandlungen wie Oxidation, Reduktion, Zyklisierung, Bildung von Bindungen zwischen Kohlenstoff und Heteroatom und anderen. Es kommt in verschiedenen Oxidationsstufen in Verbindungen vor: II, III und IV. Nickel ist ein relativ reaktives Element, weist aber gleichzeitig eine hohe chemische Stabilität auf. Dieses Metall hat einen wichtigen Vorteil – es ist im Vergleich zu anderen Übergangsmetallkatalysatoren preiswerter und wird daher häufig als Alternative zu Palladiumkatalysatoren verwendet, z.B. bei Kupplungsreaktionen.
Gold – einige katalytische Reaktionen werden in Gegenwart von Gold durchgeführt. Seine katalytische Aktivität hängt stark von der Größe und Struktur der Kristallite ab. Ihre Wirkung hängt auch von der Vorbereitungsmethode ab. Die Goldkatalysatoren sind meist Konglomerate dieses Elements zusammen mit einem entsprechenden Träger, der z.B. durch die Zufuhr der richtigen Menge an Sauerstoff die Aktivität weiter erhöht. Komplexe dieses Metalls sind sehr gute Katalysatoren für Reaktionen, bei denen Bindungen Kohlenstoff-Kohlenstoff-, Kohlenstoff-Stickstoff- oder Kohlenstoff-Sauerstoff gebildet werden, und zwar aufgrund der Leichtigkeit, mit der sie Doppel- und Dreifachbindungen, z.B. in Kohlenstoffketten, aktivieren können. Beispiele für Reaktionen, die durch Gold katalysiert werden, sind die Oxidation von Kohlenstoff(II)-oxid, die Oxidation von Alkoholen und Aldehyden, Epoxidierungsreaktionen, die Hydrierung von Aldehyden und andere.
Anorganische Verbindungen, insbesondere Metall- und Nichtmetalloxide, ausgewählte Salze und Säuren sind Beispiele für anorganische Katalysatoren. In der Regel werden diese Substanzen auf speziellen Trägern abgelagert, bei denen es sich um poröse Materialien (z.B. Kohlenstoff, Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid) handelt, die ihre katalytischen Eigenschaften unterstützen (je größer die Oberfläche des Trägers, desto größer die Kontaktfläche zwischen den Reagenzien). Ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl einer anorganischen Verbindung als Katalysator ist die Anzahl der aktiven Stellen, die sie besitzt. Das Vorhandensein einer großen Anzahl so genannter aktiver Zentren, an die sich die an der katalysierten Reaktion beteiligten Reagenzien binden, erhöht die Effizienz der Reaktion.
Vanadium(V)-oxid – Katalysatoren mit V2O5 als Hauptbestandteil sind bei fast allen Oxidationsreaktionen wirksam. Sie spielen eine wichtige Rolle in der modernen chemischen Industrie. Eine der wichtigsten Verwendungsbereiche für diese Katalysatoren ist die Herstellung von Schwefel(VI)-säure. Vanadium(V)-oxid katalysiert die Oxidationsreaktion von Schwefel(IV)-oxid zu Schwefel(VI)-oxid, das dann in Schwefel(VI)-säure absorbiert wird. Bei diesen Verfahren wird der Vanadiumkatalysator als so genannter Kontakt bezeichnet, da er sich in einer anderen Phase befindet als die anderen Reagenzien. In der Industrie wird es meist in Form eines Trägers verwendet, auf dessen Oberfläche eine aktive Phase aufgebracht ist. Zu seinen Hauptvorteilen gehören ein niedriger Entzündungspunkt, Stabilität während des Prozesses oder ein hoher Staubabsorptionskoeffizient. Neben der Herstellung von Schwefel(VI)-säure wird Vanadium(V)-oxid auch als Katalysator bei der Gummiherstellung, dem Cracking von Öl und der Synthese bestimmter hochmolekularer Verbindungen verwendet.
Aluminiumchlorid – die häufigste Verwendung von Aluminiumchlorid als Katalysator in der organischen Synthese ist die Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktion. AlCl3 befindet sich in einem anderen Aggregatzustand (feste Phase) als die anderen Reagenzien, also handelt es sich in diesem Fall um eine heterogene Katalyse. Seine katalytischen Eigenschaften beruhen hauptsächlich auf der Tatsache, dass es von seiner chemischen Struktur und seinen Eigenschaften her eine so genannte Lewis-Säure ist. Ihr Hauptmerkmal ist ihre Fähigkeit, Elektronenpaare von Lewis-Basen aufzunehmen. Als Katalysator und Lewis-Säure verbindet sich Aluminiumchlorid mit ausgewählten Molekülen oder Molekülfragmenten unter Bildung von Übergangskomplexen, die anschließend zu Carbokationen zerfallen.
Schwefel(VI)-säure – Schwefel(VI)-säure weist bereits in geringen Mengen katalytische Eigenschaften für ausgewählte chemische Reaktionen auf. Ein Beispiel für eine solche Umwandlung ist die Reaktion der Veresterung von Essigsäure mit Ethylalkohol oder die Reaktion der Nitrierung von aromatischen Verbindungen. Die Säure wirkt dann als homogener Katalysator und befindet sich daher im System in derselben Phase wie die anderen Reagenzien. Als hochpotente Säure setzt sie, wenn sie in die Reaktionsumgebung eingebracht wird, Wasserstoffionen frei, die die ablaufenden Prozesse vorantreiben. Eine weitere Eigenschaft der Schwefel(VI)-säure ist ihre Hygroskopizität. Die bei der Veresterung gebildeten Wassermoleküle werden von ihr gebunden, wodurch sich der Gleichgewichtszustand in Richtung der Bildung von mehr Produkten verschiebt. Es ist jedoch zu beachten, dass es sich hierbei nicht um den Effekt einer Katalyse der Reaktion handelt, sondern lediglich um eine Verschiebung des Gleichgewichtszustandes.
Biokatalysatoren sind chemische Verbindungen, die Reaktionen katalysieren, die im menschlichen Körper ablaufen und in ihm entstehen. Sie sind Schlüsselelemente bei allen biochemischen Umwandlungen. Sie beeinflussen nicht nur deren Beschleunigung, sondern zeigen auch eine gewisse Selektivität bei der Katalyse ausgewählter Reaktionen. Die bei weitem größte Gruppe der Biokatalysatoren sind die Enzyme, darunter auch die Nicht-Eiweiß-Katalysatoren, d.h. die Ribozyme. Ihr charakteristisches Merkmal ist ihre Fähigkeit zur Autokatalyse.
Enzyme – Sie sind hochselektive Katalysatoren, die sowohl die Geschwindigkeit als auch die Selektivität von Stoffwechselreaktionen erheblich beschleunigen. Sie sind an allen chemischen Reaktionen des Körpers beteiligt. Enzyme als organische Katalysatoren (oder auch Biokatalysatoren) werden von Zellen produziert. Sie können sowohl einfache Proteine als auch komplexe Proteine sein. Sie zeichnen sich durch das Vorhandensein von zwei Gruppen aus: eine prosthetische Gruppe und ein Apoenzym. Enzyme katalysieren die Oxidations- und Reduktionsreaktionen komplexer organischer Verbindungen, die Übertragung funktioneller Gruppen, die Hydrolyse von Bindungen verschiedener Art, die Zerstörung chemischer Bindungen, die Veränderung der Isomerisierung von Molekülen oder die Bildung neuer kovalenter Bindungen. Ihre Rolle im menschlichen Körper kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Sie sind an praktisch allen lebenswichtigen Prozessen beteiligt, sowohl an den anabolen als auch an den katabolen. Indem sie ausgewählte Reaktionen katalysieren, beeinflussen sie maßgeblich die Richtung der Stoffwechselwege im Körper.
