В химии гомогенный катализ — это катализ , при котором катализатор находится в той же фазе, что и реагенты, главным образом с помощью растворимого катализатора в растворе. Напротив, гетерогенный катализ описывает процессы, в которых катализаторы и субстрат находятся в разных фазах, обычно твердое тело-газ соответственно. [1] Этот термин используется почти исключительно для описания растворов и подразумевает катализ металлоорганическими соединениями . Гомогенный катализ — это устоявшаяся технология, которая продолжает развиваться. Показательным основным применением является производство уксусной кислоты . Ферменты являются примерами гомогенных катализаторов. [2]
Протон является распространенным гомогенным катализатором [4] , поскольку вода является наиболее распространенным растворителем. Вода образует протоны в процессе самоионизации воды . В показательном случае кислоты ускоряют (катализируют) гидролиз сложных эфиров :
При нейтральном pH водные растворы большинства сложных эфиров не гидролизуются с практической скоростью.
Выдающимся классом восстановительных превращений являются гидрирования . В этом процессе H 2 добавляется к ненасыщенным субстратам. Связанная методология, переносное гидрирование , включает перенос водорода от одного субстрата (донора водорода) к другому (акцептору водорода). Связанные реакции влекут за собой «присоединение HX», где X = силил ( гидросилилирование ) и CN ( гидроцианирование ). Большинство крупномасштабных промышленных гидрогенизаций – маргарина, аммиака, бензола в циклогексан – проводятся с использованием гетерогенных катализаторов. Однако в тонком химическом синтезе часто используются гомогенные катализаторы.
Гидроформилирование , известная форма карбонилирования , включает добавление H и «C(O)H» по двойной связи. Этот процесс почти исключительно проводят с растворимыми родий- и кобальтсодержащими комплексами. [5]
Родственное карбонилирование — это превращение спиртов в карбоновые кислоты. MeOH и CO реагируют в присутствии гомогенных катализаторов с образованием уксусной кислоты , как это практикуется в процессах Monsanto и Cativa . Родственные реакции включают гидрокарбоксилирование и гидроэтерификацию .
Ряд полиолефинов, например полиэтилен и полипропилен, получают из этилена и пропилена катализом Циглера-Натта . Преобладают гетерогенные катализаторы, но многие растворимые катализаторы используются, особенно для стереоспецифичных полимеров. [6] В промышленности метатезис олефинов обычно катализируется гетерогенно, но гомогенные варианты ценны в тонком химическом синтезе. [7]
Гомогенные катализаторы также используются в различных процессах окисления. В процессе Вакера ацетальдегид получают из этилена и кислорода . Многие неметаллоорганические комплексы также широко используются в катализе, например, для производства терефталевой кислоты из ксилола . Алкены эпоксидируются и дигидроксилируются металлокомплексами, как показано в процессе Халкона и дигидроксилировании Шарплесса .
Ферменты — это гомогенные катализаторы, которые необходимы для жизни, но также используются в промышленных процессах. Хорошо изученным примером является карбоангидраза , которая катализирует выброс CO 2 в легкие из кровотока. Ферменты обладают свойствами как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов. По существу, их обычно рассматривают как третью, отдельную категорию катализаторов. Вода является распространенным реагентом в ферментативном катализе. Эфиры и амиды медленно гидролизуются в нейтральной воде, но на скорость резко влияют металлоферменты , которые можно рассматривать как большие координационные комплексы. Акриламид получают ферментативным гидролизом акрилонитрила . [8] По состоянию на 2007 год спрос на акриламид в США составлял 253 000 000 фунтов (115 000 000 кг).