Введение
Химическая реакция, в которой катализатор и реагенты находятся в одной фазе. В химии, гомогенный катализ – это катализ, при котором катализатор находится в той же фазе, что и реагенты, как правило, в виде растворимого катализатора в растворе. В отличие от него, гетерогенный катализ описывает процессы, в которых катализатор и субстрат находятся в различных фазах, обычно твердой и газообразной соответственно. Этот термин используется почти исключительно для описания реакций в растворах и подразумевает катализ с использованием металлоорганических соединений. Гомогенный катализ – это хорошо зарекомендовавшая себя технология, которая продолжает развиваться. Ярким примером крупномасштабного применения является производство уксусной кислоты. Ферменты являются примерами гомогенных катализаторов.
In chemistry, homogeneous catalysis is catalysis where the catalyst is in same phase as reactants, principally by a soluble catalyst a in solution. In contrast, heterogeneous catalysis describes processes where the catalysts and substrate are in distinct phases, typically solid gas, respectively. The term is used almost exclusively to describe solutions and implies catalysis by organometallic compounds. Homogeneous catalysis is an established technology that continues to evolve. An illustrative major application is the production of acetic acid. Enzymes are examples of homogeneous catalysts.
Гидрогенизация и связанные с ней реакции
Выдающимся классом редуктивных превращений являются гидрирования. В этом процессе H2 присоединяется к ненасыщенным субстратам. Родственный метод, трансгидрирование, включает перенос водорода от одного субстрата (донора водорода) к другому (акцептору водорода). К этим реакциям также относятся "присоединения HX", где X = силильный (гидросилилирование) и CN (гидроцианирование). Большинство крупномасштабных промышленных гидрирований – маргарина, аммиака, бензола в циклогексан – проводятся с использованием гетерогенных катализаторов. Однако в синтезе тонких химических веществ часто применяются гомогенные катализаторы.
Карбониляции
Гидроформилирование, заметная форма карбонилирования, включает в себя присоединение H и "C(O)H" к двойной связи. Этот процесс почти исключительно проводят с растворимыми комплексами, содержащими родий и кобальт. Другой связанный с карбонилированием процесс – превращение спиртов в карбоновые кислоты. Метанол и CO реагируют в присутствии гомогенных катализаторов с образованием уксусной кислоты, что используется в процессах Monsanto и Cativa. К родственным реакциям относятся гидрокарбоксилирование и гидроэтерификация.
Полимеризация и метатез алкенов
Ряд полиолефинов, например, полиэтилен и полипропилен, производятся из этилена и пропилена с помощью катализаторов Циглера-Натта. Гетерогенные катализаторы преобладают, однако многие растворимые катализаторы применяются, особенно для стереоспецифических полимеров. Олефиновый метатез обычно катализируется гетерогенно в промышленности, но гомогенные варианты являются ценными в синтезе тонкой химии.
Окисления
Гомогенные катализаторы также используются в различных реакциях окисления. В процессе Вакера ацетальдегид получают из этилена и кислорода. Многие неорганические комплексы, не содержащие металлоорганических соединений, также широко используются в катализе, например, для производства терефталевой кислоты из ксилола. Алкины эпоксидируются и дигидроксилируются комплексами металлов, как это демонстрируют процесс Халкона и дигидроксилирование Шарплесса.
Ферменты (включая металоферменты)
Ферменты — это однородные катализаторы, необходимые для жизни, но также используемые в промышленных процессах. Хорошо изученный пример — карбоангидраза, которая катализирует высвобождение CO2 в легкие из кровотока. Ферменты обладают свойствами как однородных, так и гетерогенных катализаторов. В связи с этим их обычно рассматривают как третью, отдельную категорию катализаторов. Вода является распространенным реагентом в ферментативном катализе. Эфиры и амиды медленно гидролизуются в нейтральной воде, но скорость гидролиза резко возрастает в присутствии металлоэнзимов, которые можно рассматривать как крупные координационные комплексы. Акриламид получают путем ферментативно-катализируемого гидролиза акрилонитрила. Спрос на акриламид в США составлял [данные] в 2007 году.
Преимущества
Однородные катализаторы обычно более селективны, чем гетерогенные. В экзотермических процессах однородные катализаторы рассеивают тепло в растворителе. Однородные катализаторы легче точно характеризовать, что делает их механизмы реакций восприимчивыми к целенаправленному изменению.
Недостатки
Отделение однородных катализаторов от продуктов может быть затруднительным. В некоторых случаях, особенно при использовании высокоактивных катализаторов, катализатор не удаляют из продукта. В других случаях органические продукты обладают достаточной летучестью, чтобы их можно было разделить дистилляцией. Однородные катализаторы имеют ограниченную термическую стабильность по сравнению с гетерогенными катализаторами. Многие органометаллические комплексы разлагаются при температурах ниже 100 °C. Однако некоторые катализаторы на основе пинцетных лигандов работают при температурах около 200 °C.