WikiDer > Каталитическое окисление

Catalytic oxidation

Каталитическое окисление это процессы, которые окисляют соединения с использованием катализаторы. Общие применения включают окисление органические соединения кислородом воздуха. Такие процессы проводятся в больших масштабах для очистки от загрязняющих веществ, производства ценных химикатов и производства энергии.[1] В нефтехимия, ценные промежуточные продукты, такие как карбоновые кислоты, альдегиды, кетоны, эпоксиды, и спирты получаются частичным окислением алканы и алкены с дикислород. Эти промежуточные продукты необходимы для производства потребительских товаров. Частичное окисление представляет две проблемы. Во-первых, наиболее благоприятная реакция между кислородом и углеводородами - это горение. Вторая проблема - это значительная трудность активации двуокиси кислорода, а именно. расщепление молекулы на составляющие ее атомы, которое имеет энергетический барьер 498 кДж / моль. Обычная стратегия контролируемой активации кислорода - использование молекулярных водород или же монооксид углерода как жертвенный восстановители в присутствии гетерогенного катализатора, так что барьер активации снижается до <10 кДж / моль и, следовательно, требуются более мягкие условия реакции.[2]

Одним из наиболее сложных способов селективного окисления, которое было достигнуто с использованием золотых катализаторов на носителе, является эпоксидирование пропилен.

Иллюстративным каталитическим окислением является превращение метанола в более ценное соединение. формальдегид с использованием кислорода в воздухе:

2 канала3ОН + О2 → 2 канала2O + 2 H2О

В отсутствие катализаторов это превращение идет очень медленно. Типичные катализаторы окисления: оксиды металлов и металл карбоксилаты.

Примеры

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

СубстратПроцессКатализатор
(однородный или же неоднородный		ТоварЗаявление
диоксид серыконтактный процесспятиокись ванадия
(неоднородный)		серная кислотапроизводство удобрений
аммиакОствальдский процессплатина
(неоднородный)		азотная кислотаосновные химические вещества, TNT
сероводородПроцесс Клаусапятиокись ванадия
(неоднородный)		серавосстановление побочного продукта
нефтеперегонный завод
метан,
аммиак		Андрусовский процессплатина
(неоднородный)		цианистый водородосновные химические вещества, экстрагент для добычи золота
этиленэпоксидированиесмешанные оксиды серебра
(неоднородный)		окись этиленаосновные химические вещества, поверхностно-активные вещества
циклогексанK-A процессСоли Co и Mn
(однородный)		циклогексанол
циклогексанон		предшественник нейлона
этиленWacker процессСоли Pd и Cu
(однородный)		ацетальдегидосновные химические вещества
пара-ксилолсинтез терефталевой кислотыСоли Mn и Co
(однородный)		терефталевая кислотапластиковый прекурсор
пропиленаллильное окислениеМо-оксиды
(неоднородный)		акриловая кислотапластиковый прекурсор
пропилен,
аммиак		SOHIO процессBi-Mo-оксиды
(неоднородный)		акрилонитрилпластиковый прекурсор
метанолFormox процессFe-Mo-оксиды
(неоднородный)		формальдегидосновные химические вещества, алкидные смолы
бутанПроцесс малеинового ангидридафосфаты ванадия
(неоднородный)		малеиновый ангидридпластмассы, алкидные смолы

Катализаторы

Прикладной катализ

Окислительный катализ проводится как гетерогенный катализ и гомогенный катализ. В гетерогенных процессах газообразный субстрат и кислород (или воздух) проходят над твердыми катализаторами. Типичными катализаторами являются платина и окислительно-восстановительные оксиды железа, ванадия и молибдена. Во многих случаях катализаторы модифицированы множеством добавок или промоторов, которые увеличивают скорость или селективность.

Важными гомогенными катализаторами окисления органических соединений являются карбоксилаты кобальта, железа и марганца. Чтобы обеспечить хорошую растворимость в органическом растворителе, эти катализаторы часто получают из нафтеновые кислоты и этилгексановая кислота, которые обладают высокой липофильностью. Эти катализаторы инициируют радикальные цепные реакции, самоокисление которые производят органические радикалы, которые соединяются с кислородом, давая гидропероксид промежуточные звенья. Обычно селективность окисления определяется энергиями связи. Например, бензильные связи C-H заменяются кислородом быстрее, чем ароматические связи C-H.[3]

Тонкие химикаты

Основная статья: Асимметричное каталитическое окисление

Многие катализаторы селективного окисления были разработаны для производства тонких химикатов, представляющих фармацевтический или академический интерес. Примеры, получившие Нобелевскую премию: Эпоксидирование по методу Sharpless и Дигидроксилирование по Шарплесу.

Биологический катализ

Каталитическое окисление является обычным явлением в биологии, особенно потому, что аэробная жизнь существует за счет энергии O2 [4] высвобождается при окислении органических соединений. В отличие от промышленных процессов, которые оптимизированы для производства химических соединений, биологическое окисление с целью получения энергии оптимизировано для производства энергии. Много металлоферменты опосредуют эти реакции.

Топливные элементы и др.

Топливные элементы полагаются на окисление органических соединений (или водорода) с использованием катализаторов. Каталитические нагреватели генерируют беспламенное тепло от горючего топлива и кислород с воздуха как окислитель.

Рекомендации

  1. ^ Герхард Франц, Роджер А. Шелдон «Окисление» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, Wiley-VCH, Weinheim, 2000 Дои:10.1002 / 14356007.a18_261
  2. ^ Харута, Масатаке (октябрь 2005 г.). "Золотая лихорадка". Природа. 437 (7062): 1098–1099. Дои:10.1038 / 4371098a. ISSN 1476-4687. PMID 16237427.
  3. ^ 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 М. Майтлис, ред. 2006, РКК. ISBN 978-0-85404-862-5.
  4. ^ Шмидт-Рор, К. (2020). «Кислород - это высокоэнергетическая молекула, питающая сложную многоклеточную жизнь: фундаментальные поправки к традиционной биоэнергетике» СКУД Омега 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352

внешняя ссылка