Kataliza pełni fundamentalną rolę praktycznie we wszystkich procesach chemicznych. Zdecydowana większość reakcji chemicznych, a także biologicznych, zachodzi w obecności katalizatorów. Katalizatory to substancje chemiczne, które dodane do układu reakcyjnego, zmieniają ścieżkę kinetyczną reakcji, lecz same nie biorą w niej udziału. Obecnie ponad 90% procesów technologii chemicznej realizowanych jest w ich obecności. Pierwotnie pojęcie katalizy i katalizatorów zostało sformułowane w XIX wieku i na przestrzeni lat znacząco się rozwinęło.
Procesy i reakcje chemiczne, które są katalizowane, zachodzą w obecności pewnych specyficznych substancji nazywanych katalizatorami. Ich podstawowym zadaniem w układach, jest obniżenie energii aktywacji, co bezpośrednio prowadzi do zwiększenia szybkości zachodzącego procesu. Wybór katalizatora jest kluczowym zagadnieniem, od którego zależy na przykład wydajność procesów technologicznych. Jako katalizatory wykorzystywane są zazwyczaj określone związki chemiczne lub układy typu rdzeń-powłoka.
Podstawowe cechy katalizatorów i funkcje, jakie spełniają w układach:
Przeczytaj również: kataliza.
Metale są bardzo dobrymi i chętnie wykorzystywanymi w przemyśle katalizatorami. Szczególne zainteresowanie skupia się na metalach przejściowych, ponieważ mogą one występować na dwóch lub więcej stopniach utlenienia, np. żelazo w tlenku żelaza (II) lub tlenku żelaza (III).Metale te posiadają nie całkowicie wypełnione orbitale d, które pozwalają im w łatwy sposób oddawać i przyjmować elektrony od innych cząsteczek. W ostatnich latach na znaczeniu zyskują katalizatory powstałe na bazie nanocząstek metalicznych ze względu na ich unikalne właściwości.
Platyna – jest metalem wykorzystywanym między innymi w procesach uwodornienia grup funkcyjnych lub odwodornienia w syntezie organicznej. Jest to substancja chemicznie obojętna i stabilna w środowisku utleniającym oraz o dużej zawartości wilgoci. W temperaturze powyżej 450ᵒC na jej powierzchni tworzy się film ditlenku platyny. Platyna w związkach występuje na kilku stopniach utlenienia, jednak zwykle, jako katalizator przyjmuje wartości II lub IV. Poza zastosowaniem w technologii chemicznej, platyna jest wykorzystywana także w katalizatorach samochodowych. Posiada zdolność wiązania atomów tlenu z toksycznym tlenkiem węgla (II) w spalinach samochodowych. Dzięki temu powstaje znacznie mniej szkodliwy dwutlenek węgla.
Pallad – Katalizatory palladowe uczestniczą w szeregu reakcji organicznych, takich jak cyklizacja, uwodornienie, utlenianie, izomeryzacja, reakcje rodnikowe i inne. Wykazują wysoką tolerancję różnych grup funkcyjnych i często są w stanie zapewnić doskonałą stereoselektywność, co pomaga uniknąć konieczności wprowadzania określonych grup ochronnych. Ponadto katalizatory palladowe są szczególnie skuteczne np. w selektywnym uwodornieniu, dzięki czemu możliwe staje się otrzymanie pożądanych produktów w jednym cyklu reakcji.
Nikiel – Jako katalizator nikiel odgrywa kluczową rolę w wielu organicznych przemianach, takich jak utlenianie, redukcja, cyklizacja, tworzenie wiązań węgiel – heteroatom i innych. Występuje na kilku stopniach utlenienia w związkach: II, III oraz IV. Nikiel jest stosunkowo reaktywnym pierwiastkiem, ale jednocześnie wykazującym dużą stabilność chemiczną. Metal ten ma jedną ważną zaletę – jest tańszy w porównaniu do pozostałych katalizatorów metali przejściowych, dlatego też często jest wykorzystywany, jako alternatywa dla tych palladowych np. w reakcjach sprzęgania.
Złoto – Niektóre reakcje katalityczne prowadzone są w obecności złota. Jego aktywność katalityczna jest silnie uzależniona od wielkości i struktury krystalitów. Ich działanie jest także uzależnione od metody przygotowania. Katalizatory złota to najczęściej konglomeraty tego pierwiastka wraz z odpowiednim nośnikiem, który np. dostarczając odpowiedniej ilości tlenu, dodatkowo powoduje wzrost jego aktywności. Kompleksy tego metalu są bardzo dobrymi katalizatorami reakcji tworzenia wiązań węgiel – węgiel, węgiel – azot lub węgiel – tlen, ze względu na łatwość, z jaką mogą aktywować wiązania podwójne i potrójne np. w łańcuchach węglowych. Przykładowe reakcje katalizowane przez złoto to np. utlenianie tlenku węgla (II), utlenianie alkoholi i aldehydów, reakcje epoksydowania, uwodornienia aldehydów i inne.
Związki nieorganiczne, a w szczególności tlenki metali i niemetali, wybrane sole, a także kwasy to przykłady katalizatorów nieorganicznych. Zwykle substancje te są osadzone na specjalnych nośnikach, którymi są materiały porowate (np. węgiel, krzemionka lub tlenek glinu) wspomagające ich właściwości katalityczne (im większa jest powierzchnia nośnika, tym większa jest powierzchnia kontaktu pomiędzy reagentami). Ważnym aspektem doboru związku nieorganicznego, jako katalizatora jest kierowanie się liczbą miejsc aktywnych, jakie posiada. Obecność dużej ilości tak zwanych centrów aktywnych, z którymi wiążą się reagenty biorące udział w katalizowanej reakcji, zwiększa wydajność reakcji.
Tlenek wanadu (V) – Katalizatory z V2O5, jako głównym składnikiem, są skuteczne w prawie wszystkich reakcjach utleniania. Odgrywają one ważną rolę we współczesnym przemyśle chemicznym. Jednym z najważniejszych zastosowań tych katalizatorów jest produkcja kwasu siarkowego (VI). Tlenek wanadu (V) katalizuje reakcję utleniania tlenku siarki (IV) do tlenku siarki (VI), który następnie ulega absorpcji do kwasu siarkowego (VI). W procesach tych, katalizator wanadowy określany jest mianem tak zwanego kontaktu, ponieważ występuje w innej fazie niż pozostałe reagenty. W przemyśle zwykle jest stosowany w formie nośnika z naniesioną na jego powierzchnię fazą aktywną. Do jego najważniejszych zalet należy zaliczyć niską temperaturę zapłonu, stabilność w trakcie trwania procesu czy duży współczynnik pyłochłonności. Poza produkcją kwasu siarkowego (VI), tlenek wanadu (V) jest także stosowany jako katalizator podczas produkcji gumy, krakingu ropy naftowej oraz syntezy niektórych związków wysokocząsteczkowych.
Chlorek glinu – Najczęstszym zastosowaniem chlorku glinu, jako katalizatora w syntezie organicznej, jest reakcja alkilowania Friedela-Craftsa. AlCl3 jest w innym stanie skupienia (faza stała) niż pozostałe reagenty, zatem w tym przypadku jest to kataliza heterogeniczna. Jego właściwości katalityczne opierają się głównie na tym, że pod względem budowy chemicznej i właściwości jest to tak zwany kwas Lewisa. Jego główną cechą jest zdolność do przyjmowania par elektronowych od zasad Lewisa. Chlorek glinu, jako katalizator i kwas Lewisa łączy się z wybranymi cząsteczkami lub ich fragmentami, z utworzeniem kompleksów przejściowych, które następnie rozpadają się do karbokationów.
Kwas siarkowy (VI) – Kwas siarkowy (VI) wykazuje nawet w niewielkich ilościach właściwości katalityczne w przypadku wybranych reakcji chemicznych. Przykładem takiej przemiany może być reakcja estryfikacji kwasu octowego z alkoholem etylowym lub reakcja nitrowania związków aromatycznych. Kwas ten pełni wtedy funkcję katalizatora homogenicznego, a zatem znajduje się w układzie, w tej samej fazie, co pozostałe reagenty. Jako kwas o dużej mocy, wprowadzony do środowiska reakcji uwalnia jony wodorowe, które napędzają zachodzące procesy. Ponadto dodatkową właściwością kwasu siarkowego (VI) jest jego higroskopijność. Powstające w procesie estryfikacji cząsteczki wody są wiązane przez niego i to powoduje przesunięcie stanu równowagi w kierunku powstawania większej ilości produktów. Jednak należy pamiętać, że nie jest to efekt katalizowania reakcji, a jedynie przesunięcia stanu równowagi.
Biokatalizatorami są związki chemiczne katalizujące reakcje zachodzące w organizmie człowieka i powstające w jego wnętrzu. Są one kluczowymi elementami wszystkich przemian biochemicznych. Wpływają nie tylko na ich przyspieszenie, ale także wykazują pewną selektywność w katalizowaniu wybranych reakcji. Zdecydowanie największą grupę biokatalizatorów tworzą enzymy, w tym katalizatory niebiałkowe, czyli rybozymy. Ich cechą charakterystyczną jest zdolność do autokatalizy.
Enzymy – Są to wysoce selektywne katalizatory, które znacznie przyspieszają zarówno szybkość, jak i selektywność reakcji metabolicznych. Uczestniczą one we wszystkich reakcjach chemicznych ustroju. Enzymy, jako katalizatory organiczne (lub inaczej biokatalizatory) są wytwarzane przez komórki. Mogą to być zarówno białka proste, jak również białka złożone. Ich cechami charakterystycznymi jest obecność dwóch grup: grupy prostetycznej oraz aofermentu. Enzymy katalizują reakcje utleniania i redukcji złożonych związków organicznych, procesy przenoszenia grup funkcyjnych, hydrolizę wiązań różnego rodzaju, destrukcję wiązań chemicznych, zmianę izomeryzacji cząsteczek czy tworzenie nowych wiązań kowalencyjnych. Ich rola w organizmie człowieka jest nie do przecenienia. Biorą udział praktycznie we wszystkich procesach życiowych, zarówno tych anabolicznych, jak również katabolicznych. Katalizując wybrane reakcje, znacząco wpływają na kierunek szlaków metabolicznych w organizmie.
