Каталитическое окисление

Каталитическое окисление — это процессы, в которых используются катализаторы для введения кислорода в органические и неорганические соединения. Многие приложения, включая тему этой статьи, включают окисление кислородом. Такие процессы проводятся в больших масштабах для устранения загрязнений, производства ценных химикатов и производства энергии. ^{[ 1 ]}

Окисления органических соединений

кислоты , кетоны , эпоксиды и спирты часто получают частичным окислением алканов и алкенов дикислородом . Карбоновые Эти промежуточные продукты необходимы для производства потребительских товаров. Частичное окисление является сложной задачей, поскольку наиболее предпочтительной реакцией между кислородом и углеводородами является горение .

Окисления неорганических соединений

Серную кислоту производят из триоксида серы, который получают окислением диоксида серы. Пищевые фосфаты образуются путем окисления белого фосфора. Окись углерода в выхлопных газах автомобилей преобразуется в углекислый газ в каталитических нейтрализаторах .

Примеры

Промышленно важные примеры включают как неорганические, так и органические субстраты.

Субстрат	Процесс	Катализатор	Продукт	Приложение
диоксид серы	контактный процесс	пятиокись ванадия (гетерогенный)	серная кислота	производство удобрений
аммиак	Оствальдовский процесс	платина (гетерогенный)	азотная кислота	основные химикаты, тротил
сероводород	Процесс Клауса	пятиокись ванадия (гетерогенный)	сера	восстановление побочных продуктов нефтеперерабатывающий завод
метан , аммиак	Андрусовский процесс	платина (гетерогенный)	цианистый водород	основные химикаты, экстрагент для добычи золота
этилен	эпоксидирование	смешанные оксиды Ag (гетерогенный)	оксид этилена	основные химические вещества, поверхностно-активные вещества
циклогексан	процесс КА	Соли Co и Mn (однородный)	циклогексанол циклогексанон	предшественник нейлона
этилен	Процесс Вакера	Соли Pd и Cu (однородный)	ацетальдегид	основные химикаты
пара-ксилол	синтез терефталевой кислоты	Соли Mn и Co (однородный)	терефталевая кислота	пластиковый предшественник
пропилен	аллильное окисление	Мо-оксиды (гетерогенный)	акриловая кислота	пластиковый предшественник
пропилен , аммиак	Процесс СОХИО	Би-Мо-оксиды (гетерогенный)	акрилонитрил	пластиковый предшественник
метанол	Формокс-процесс	Fe-Mo-оксиды (гетерогенный)	формальдегид	основные химикаты, алкидные смолы
бутан	Процесс малеинового ангидрида	фосфаты ванадия (гетерогенный)	малеиновый ангидрид	пластмассы, алкидные смолы

Катализаторы

Катализ окисления осуществляется как гетерогенным, так и гомогенным катализом . В гетерогенных процессах газообразный субстрат и кислород (или воздух) пропускают над твердыми катализаторами. Типичными катализаторами являются платина и окислительно-восстановительные 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. Чтобы обеспечить хорошую растворимость в органических растворителях, эти катализаторы часто получают из нафтеновых кислот и этилгексановой кислоты , которые обладают высокой липофильностью. Эти катализаторы инициируют радикальные цепные реакции , автоокисление , в результате которых образуются органические радикалы, которые соединяются с кислородом с образованием промежуточных гидропероксидов . Обычно селективность окисления определяется энергией связи. Например, бензильные связи CH заменяются кислородом быстрее, чем ароматические связи CH. ^{[ 2 ]}

Тонкая химия

Многие катализаторы селективного окисления были разработаны для производства чистых химикатов, представляющих фармацевтический или академический интерес. Примерами, получившими Нобелевскую премию, являются эпоксидирование Шарплесса и дигидроксилирование Шарплесса .

Биологический катализ

Каталитическое окисление широко распространено в биологии, тем более что аэробная жизнь существует за счет энергии, получаемой при окислении органических соединений воздухом. В отличие от промышленных процессов, оптимизированных для производства химических соединений, энергетические биологические окисления оптимизированы для производства энергии. Многие металлоферменты опосредуют эти реакции.

Топливные элементы и т. д.

Топливные элементы основаны на окислении органических соединений (или водорода) с помощью катализаторов. Каталитические нагреватели генерируют беспламенное тепло за счет подачи горючего топлива и кислорода из воздуха в качестве окислителя .

Проблемы

Главной проблемой каталитического окисления 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 процессов окисления, которые невозможно осуществить столь простым способом. Превращение пропилена в оксид пропилена обычно осуществляется с использованием перекиси водорода , а не кислорода или воздуха.

Ссылки

^ Герхард Франц, Роджер А. Шелдон «Окисление» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, Wiley-VCH, Вайнхайм, 2000 два : 10.1002/14356007.a18_261
^ Марио Дж. Клеричи, Марко Риччи и Джорджио Струкул «Образование связей C – O путем окисления» в металл-катализе в промышленных органических процессах Джан Паоло Кьюзоли, Питер Мейтлис, ред. 2006, РСК. ISBN 978-0-85404-862-5 .
^ Кавани, Фабрицио; Телес, Хоаким Энрике (2009). «Устойчивость в каталитическом окислении: альтернативный подход или структурная эволюция?». ChemSusChem . 2 (6): 508–534. дои : 10.1002/cssc.200900020 . ПМИД 19536755 .

Внешние ссылки

[1] Герхард Франц, Роджер А. Шелдон «Окисление» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, Wiley-VCH, Вайнхайм, 2000 два : 10.1002/14356007.a18_261

[2] Марио Дж. Клеричи, Марко Риччи и Джорджио Струкул «Образование связей C – O путем окисления» в металл-катализе в промышленных органических процессах Джан Паоло Кьюзоли, Питер Мейтлис, ред. 2006, РСК. ISBN 978-0-85404-862-5 .

[CavTel-3] Кавани, Фабрицио; Телес, Хоаким Энрике (2009). «Устойчивость в каталитическом окислении: альтернативный подход или структурная эволюция?». ChemSusChem . 2 (6): 508–534. дои : 10.1002/cssc.200900020 . ПМИД 19536755 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]