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.

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.