Каталитическое окисление — это процессы, в которых для введения кислорода в органические и неорганические соединения используются катализаторы . Многие приложения, включая те, на которых сосредоточена эта статья, включают окисление кислородом. Такие процессы проводятся в больших масштабах для очистки от загрязняющих веществ, производства ценных химикатов и производства энергии. [1]
Карбоновые кислоты , кетоны , эпоксиды и спирты часто получаются путем частичного окисления алканов и алкенов с помощью дикислорода . Эти промежуточные продукты необходимы для производства потребительских товаров. Частичное окисление является сложной задачей, поскольку наиболее предпочтительной реакцией между кислородом и углеводородами является горение .
Серная кислота производится из триоксида серы, который получается путем окисления диоксида серы. Пищевые фосфаты производятся путем окисления белого фосфора. Окись углерода в выхлопных газах автомобилей преобразуется в двуокись углерода в каталитических нейтрализаторах .
Примерами, имеющими промышленное значение, являются как неорганические, так и органические субстраты.
Окислительный катализ проводится как гетерогенным катализом, так и гомогенным катализом . В гетерогенных процессах газообразный субстрат и кислород (или воздух) пропускаются через твердые катализаторы. Типичными катализаторами являются платина и окислительно-восстановительно-активные оксиды железа, ванадия и молибдена. Во многих случаях катализаторы модифицируются множеством добавок или промоторов, которые повышают скорость или селективность.
Важными гомогенными катализаторами окисления органических соединений являются карбоксилаты кобальта, железа и марганца. Для обеспечения хорошей растворимости в органическом растворителе эти катализаторы часто получают из нафтеновых кислот и этилгексановой кислоты , которые являются высоколипофильными. Эти катализаторы инициируют радикальные цепные реакции, автоокисление , которое производит органические радикалы, которые соединяются с кислородом, давая гидропероксидные промежуточные соединения. Обычно селективность окисления определяется энергиями связей. Например, бензильные связи CH заменяются кислородом быстрее, чем ароматические связи CH. [2]
Многие катализаторы селективного окисления были разработаны для производства тонких химикатов фармацевтического или академического интереса. Примерами, удостоенными Нобелевской премии, являются эпоксидирование Шарплесса и дигидроксилирование Шарплесса .
Каталитические окисления распространены в биологии, особенно потому, что аэробная жизнь существует за счет энергии, получаемой путем окисления органических соединений воздухом. В отличие от промышленных процессов, которые оптимизированы для производства химических соединений, энергетические биологические окисления оптимизированы для производства энергии. Многие металлоферменты опосредуют эти реакции.
Топливные элементы основаны на окислении органических соединений (или водорода) с использованием катализаторов. Каталитические нагреватели генерируют беспламенное тепло из подачи горючего топлива и кислорода из воздуха в качестве окислителя .
Главной проблемой в каталитическом окислении является преобразование метана в метанол. Большая часть метана находится в затруднительном положении , т.е. не находится вблизи мегаполисов. Следовательно, он сжигается (превращается в углекислый газ). Одна из проблем заключается в том, что метанол легче окисляется, чем метан. [3]
Каталитическое окисление кислородом или воздухом является основным применением зеленой химии . Однако существует множество окислений, которые не могут быть достигнуты столь прямолинейно. Превращение пропилена в пропиленоксид обычно осуществляется с использованием перекиси водорода , а не кислорода или воздуха.