В химии гомогенный катализ — это катализ, при котором катализатор находится в той же фазе, что и реагенты, в основном с помощью растворимого катализатора в растворе. Напротив, гетерогенный катализ описывает процессы, при которых катализаторы и субстрат находятся в разных фазах, обычно твердых и газообразных 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 всепроникающим гомогенным катализатором [4] , поскольку вода является наиболее распространенным растворителем. Вода образует протоны в процессе самоионизации воды . В иллюстративном случае кислоты ускоряют (катализируют) гидролиз сложных эфиров :
При нейтральном pH водные растворы большинства эфиров не гидролизуются с приемлемой скоростью.
Известным классом восстановительных превращений являются гидрогенизации . В этом процессе H 2 добавляется к ненасыщенным субстратам. Связанная методология, трансферная гидрогенизация , включает перенос водорода от одного субстрата (донора водорода) к другому (акцептору водорода). Связанные реакции влекут за собой «присоединения HX», где X = силил ( гидросилилирование ) и CN ( гидроцианирование ). Большинство крупномасштабных промышленных гидрогенизаций — маргарина, аммиака, бензола в циклогексан — проводятся с использованием гетерогенных катализаторов. Однако тонкие химические синтезы часто полагаются на гомогенные катализаторы.
Гидроформилирование , известная форма карбонилирования , включает добавление H и "C(O)H" через двойную связь. Этот процесс почти исключительно проводится с растворимыми родий- и кобальтсодержащими комплексами. [5]
Связанное карбонилирование — это превращение спиртов в карбоновые кислоты. MeOH и CO реагируют в присутствии гомогенных катализаторов, давая уксусную кислоту , как это практикуется в процессах Monsanto и Cativa . Связанные реакции включают гидрокарбоксилирование и гидроэтерификацию .
Ряд полиолефинов, например полиэтилен и полипропилен, производятся из этилена и пропилена с помощью катализа Циглера-Натта . Гетерогенные катализаторы доминируют, но многие растворимые катализаторы используются, особенно для стереоспецифических полимеров. [6] Метатезис олефинов обычно катализируется гетерогенно в промышленности, но гомогенные варианты ценны в тонком химическом синтезе. [7]
Гомогенные катализаторы также используются в различных окислениях. В процессе Ваккера ацетальдегид производится из этилена и кислорода . Многие неметаллоорганические комплексы также широко используются в катализе, например, для производства терефталевой кислоты из ксилена . Алкены эпоксидируются и дигидроксилируются металлическими комплексами, как показано на примере процесса Halcon и дигидроксилирования Шарплесса .
Ферменты — это гомогенные катализаторы, которые необходимы для жизни, но также используются в промышленных процессах. Хорошо изученным примером является карбоангидраза , которая катализирует высвобождение CO2 в легкие из кровотока. Ферменты обладают свойствами как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов. Как таковые, они обычно рассматриваются как третья, отдельная категория 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 путем катализируемого ферментами гидролиза акрилонитрила . [8] Спрос на акриламид в США составлял 253 000 000 фунтов (115 000 000 кг) по состоянию на 2007 год.