Катализ играет фундаментальную роль практически во всех химических процессах. Подавляющее большинство химических и биологических реакций протекает в присутствии катализаторов. Катализаторы — это химические вещества, которые при добавлении в реакционную систему изменяют кинетический путь реакции, но сами в ней не участвуют. В настоящее время более 90% химико-технологических процессов осуществляется с их участием. Концепция катализа и катализаторов была первоначально сформулирована в XIX веке и с течением времени получила значительное развитие.
Катализируемые химические процессы и реакции протекают в присутствии определенных специфических веществ, называемых катализаторами. Их основной задачей в системах является снижение энергии активации, что непосредственно приводит к увеличению скорости процесса. Выбор катализатора является ключевым вопросом, определяющим, например, эффективность технологических процессов. В качестве катализаторов обычно используются определенные химические соединения или системы ядро-оболочка.
Основные особенности катализаторов и функции, которые они выполняют в системах:
Читайте также: Катализ.
Металлы являются очень хорошими катализаторами, которые охотно используются в промышленности. Особый интерес вызывают переходные металлы, поскольку они могут существовать в двух или более степенях окисления, например железо в оксиде железа (II) или оксиде железа (III). Эти металлы имеют d-орбитали, которые не полностью заполнены, что позволяет им легко давать и принимают электроны от других молекул. В последние годы все большее значение приобретают катализаторы на основе металлических наночастиц из-за их уникальных свойств.
Платина является металлом, который используется, в том числе, в процессах гидрирования функциональных групп или дегидрирования в органическом синтезе. Это химически нейтральное вещество, стабильное в окислительной среде и при высоком содержании влаги. При температуре выше 450ᵒС на его поверхности образуется пленка диоксида платины. Платина в соединениях встречается в нескольких степенях окисления, но обычно как катализатор имеет значения II или IV. Помимо использования в химических технологиях, платина также используется в автомобильных каталитических нейтрализаторах. Он обладает способностью связывать атомы кислорода с токсичным угарным газом (II) в выхлопных газах автомобилей. При этом образуется гораздо меньше вредного углекислого газа.
Палладий — Палладиевые катализаторы участвуют в ряде органических реакций таких, как циклизация, гидрирование, окисление, изомеризация, радикальные реакции и другие. Они обладают высокой толерантностью к различным функциональным группам и часто способны обеспечивать превосходную стереоселективность, что позволяет избежать необходимости введения определенных защитных групп. Кроме того, палладиевые катализаторы особенно эффективны, например, при селективном гидрировании, позволяя получать желаемые продукты за один реакционный цикл.
Никель — как катализатор играет ключевую роль во многих органических реакциях, таких как окисление, восстановление, циклизация, образование связей углерод-гетероатом и других. В соединениях он встречается в нескольких степенях окисления: II, III и IV. Никель является относительно химически активным элементом, но, в то же время, обладает высокой химической стабильностью. У этого металла есть одно важное преимущество – он дешевле по сравнению с другими катализаторами на основе переходных металлов, поэтому его часто используют в качестве альтернативы палладиевым, например, в реакциях сочетания.
Золото — некоторые каталитические реакции проводятся в присутствии золота. Его каталитическая активность сильно зависит от размера и структуры кристаллитов. Их эффективность также зависит от способа изготовления. Катализаторы золота чаще всего представляют собой конгломераты этого элемента вместе с носителем, который, например, обеспечивая соответствующее количество кислорода, дополнительно увеличивает его активность. Комплексы этого металла являются очень хорошими катализаторами реакций создания связей углерод-углерод, углерод-азот или углерод-кислород благодаря легкости, с которой они могут активировать двойные и тройные связи, например, в углеродных цепях. Примеры реакций, катализируемых золотом, включают окисление оксида углерода (II), окисление спиртов и альдегидов, реакции эпоксидирования, гидрирования альдегидов и другие.
Неорганические соединения, в частности оксиды металлов и неметаллов, некоторые соли и кислоты, являются примерами неорганических катализаторов. Обычно эти вещества наносятся на специальные носители, представляющие собой пористые материалы (например, углерод, кремнезем или оксид алюминия), поддерживающие их каталитические свойства (чем больше поверхность носителя, тем больше поверхность контакта между реагентами). Важным аспектом выбора неорганического соединения в качестве катализатора является количество имеющихся у него активных центров. Наличие большого количества так называемых активных центров, с которыми связываются реагенты, участвующие в катализируемой реакции, повышает эффективность реакции.
Оксид ванадия(V) — катализаторы с V2O5 как главным составляющим, являются эффективными практически во всех реакциях окисления. Они играют важную роль в современной химической промышленности. Одним из наиболее важных применений этих катализаторов является производство серной кислоты (VI). Оксид ванадия(V) катализирует окисление оксида серы(IV) до оксида серы(VI), который затем абсорбируется до серной кислоты(VI). В этих процессах ванадиевый катализатор определяется так называемым контактным катализатором, поскольку он находится в иной фазе, чем другие реагенты. В промышленности его обычно используют в виде носителя с нанесенной на его поверхность активной фазой. К его важнейшим преимуществам относятся низкая температура воспламенения, стабильность в процессе процесса и высокий коэффициент пылепоглощения. Помимо производства серной кислоты (VI), оксид ванадия (V) применяется также в качестве катализатора в производстве резины, крекинге нефти и синтезе некоторых высокомолекулярных соединений.
Хлорид алюминия. Наиболее распространенным применением хлорида алюминия в качестве катализатора в органическом синтезе является реакция алкилирования Фриделя-Крафтса. AlCl3 находится в другом состоянии вещества (твердой фазе), чем другие реагенты, поэтому в данном случае это гетерогенный катализ. Ее каталитические свойства основаны главным образом на том, что по химической структуре и свойствам она представляет собой так называемую кислоту Льюиса. Его главной особенностью является способность принимать электронные пары оснований Льюиса. Хлорид алюминия как катализатор и кислота Льюиса соединяются с выбранными молекулами или их фрагментами, образуя переходные комплексы, которые затем разлагаются на карбокатионы.
Серная кислота (VI)— Серная кислота (VI) обладает каталитическими свойствами даже в небольших количествах в случае определенных химических реакций. Примером такой реакции может быть реакция этерификации уксусной кислоты этиловым спиртом или реакция нитрования ароматических соединений. Эта кислота тогда действует как гомогенный катализатор и, следовательно, находится в системе в той же фазе, что и другие реагенты. Будучи высококонцентрированной кислотой, введенной в реакционную среду, она выделяет ионы водорода, которые запускают текущие процессы. Кроме того, дополнительным свойством серной кислоты (VI) является ее гигроскопичность. Молекулы воды, образующиеся в процессе этерификации, связываются ею, и это приводит к смещению равновесия в сторону образования большего количества продуктов. Однако следует помнить, что это не эффект катализа реакции, а лишь сдвиг состояния равновесия.
Биокатализаторы – это химические соединения, катализирующие реакции, происходящие в организме человека и образующиеся внутри него. Они являются ключевыми элементами всех биохимических преобразований. Они не только ускоряют их, но и проявляют определенную избирательность в катализе избранных реакций. Безусловно, самую большую группу биокатализаторов составляют ферменты, включая небелковые катализаторы, то есть рибозимы. Их характерной особенностью является способность к автокатализу.
Ферменты – это высокоселективные катализаторы, значительно ускоряющие как скорость, так и селективность метаболических реакций. Они участвуют во всех химических реакциях организма. Ферменты как органические катализаторы (или биокатализаторы) производятся клетками. Это могут быть как простые белки, так и сложные белки. Их характерной чертой является наличие двух групп: простетической и афферентной. Ферменты катализируют реакции окисления и восстановления сложных органических соединений, процессы переноса функциональных групп, гидролиз различных типов связей, разрушение химических связей, изменение молекулярной изомеризации и создание новых ковалентных связей. Их роль в организме человека невозможно переоценить. Они принимают участие практически во всех жизненных процессах, как анаболических, так и катаболических. Катализируя избранные реакции, они существенно влияют на направление метаболических путей в организме.
