Katalytická oxidace - Catalytic oxidation
Katalytická oxidace jsou procesy, které oxidují sloučeniny za použití katalyzátory. Běžné aplikace zahrnují oxidaci organické sloučeniny kyslíkem ve vzduchu. Tyto procesy se provádějí ve velkém měřítku za účelem sanace znečišťujících látek, výroby cenných chemikálií a výroby energie.[1] v petrochemie, vysoce hodnotné meziprodukty jako např karboxylové kyseliny, aldehydy, ketony, epoxidy, a alkoholy se získávají částečnou oxidací alkany a alkeny s dioxygen. Tyto meziprodukty jsou nezbytné pro výrobu spotřebního zboží. Částečná oxidace představuje dvě výzvy. První je, že nejoblíbenější reakcí mezi kyslíkem a uhlovodíky je spalování. Druhým problémem je značná obtížnost aktivace dioxygen, viz. štěpení molekuly na její základní atomy, která má energetická bariéra 498 kJ / mol. Obvyklou strategií pro aktivovanou aktivaci kyslíku je použití molekulárních vodík nebo kysličník uhelnatý jako obětavý redukční činidla v přítomnosti heterogenního katalyzátoru, takže se aktivační bariéra sníží na <10 kJ / mol, a proto jsou vyžadovány mírnější reakční podmínky.[2]
Jednou z nejnáročnějších selektivních oxidací, jíž bylo dosaženo s katalyzátory na zlatém nosiči, je epoxidace propylen.
Názornou katalytickou oxidací je přeměna methanolu na cennější sloučeninu formaldehyd pomocí kyslíku ve vzduchu:
- 2 CH3OH + O2 → 2CH2O + 2 H2Ó
Tato konverze je při absenci katalyzátorů velmi pomalá. Typickými oxidačními katalyzátory jsou oxidy kovů a kov karboxyláty.
Příklady
Průmyslově důležité příklady zahrnují jak anorganické, tak organické substráty.
Podklad | Proces | Katalyzátor (homogenní nebo heterogenní | Produkt | aplikace |
---|---|---|---|---|
oxid siřičitý | kontaktní proces | oxid vanadičitý (heterogenní) | kyselina sírová | výroba hnojiv |
amoniak | Ostwaldův proces | Platina (heterogenní) | kyselina dusičná | základní chemikálie, TNT |
sirovodík | Clausův proces | oxid vanadičitý (heterogenní) | síra | sanace vedlejšího produktu ropná rafinerie |
metan, amoniak | Andrussowův proces | Platina (heterogenní) | kyanovodík | základní chemikálie, extraktor těžby zlata |
ethylen | epoxidace | smíšené oxidy Ag (heterogenní) | ethylenoxid | základní chemikálie, povrchově aktivní látky |
cyklohexan | K-A proces | Co a Mn soli (homogenní) | cyklohexanol cyklohexanon | nylonový předchůdce |
ethylen | Wackerův proces | Pd a Cu soli (homogenní) | acetaldehyd | základní chemikálie |
para-xylen | syntéza kyseliny tereftalové | Soli Mn a Co (homogenní) | kyselina tereftalová | plastový předchůdce |
propylen | allylová oxidace | Mo-oxidy (heterogenní) | akrylová kyselina | plastový předchůdce |
propylen, amoniak | Proces SOHIO | Bi-Mo-oxidy (heterogenní) | akrylonitril | plastový předchůdce |
methanolu | Formox proces | Fe-Mo-oxidy (heterogenní) | formaldehyd | základní chemikálie, alkydové pryskyřice |
butan | Proces anhydridu kyseliny maleinové | fosforečnany vanadu (heterogenní) | anhydrid kyseliny maleinové | plasty, alkydové pryskyřice |
Katalyzátory
Aplikovaná katalýza
Oxidační katalýzu provádějí oba heterogenní katalýza a homogenní katalýza. V heterogenních procesech prochází plynný substrát a kyslík (nebo vzduch) přes pevné katalyzátory. Typickými katalyzátory jsou platina a redoxaktivní oxidy železa, vanadu a molybdenu. V mnoha případech jsou katalyzátory modifikovány řadou aditiv nebo promotorů, které zvyšují rychlost nebo selektivitu.
Důležité homogenní katalyzátory pro oxidaci organických sloučenin jsou karboxyláty kobaltu, železa a manganu. Pro zajištění dobré rozpustnosti v organickém rozpouštědle jsou tyto katalyzátory často odvozeny od naftenové kyseliny a kyselina ethylhexanová, které jsou vysoce lipofilní. Tyto katalyzátory se iniciují radikální řetězové reakce, autoxidace které produkují organické radikály, které se kombinují s kyslíkem hydroperoxid meziprodukty. Obecně je selektivita oxidace určena energiemi vazby. Například benzylové vazby CH jsou nahrazeny kyslíkem rychleji než aromatické vazby CH.[3]
Čisté chemikálie
Mnoho selektivních oxidačních katalyzátorů bylo vyvinuto pro výrobu čistých chemikálií farmaceutického nebo akademického zájmu. Příkladem Nobelovy ceny jsou Ostrá epoxidace a Ostrá dihydroxylace.
Biologická katalýza
Katalytické oxidace jsou v biologii běžné, zejména proto, že aerobní život existuje z energie O2 [4] uvolňovaný oxidací organických sloučenin. Na rozdíl od průmyslových procesů, které jsou optimalizovány pro výrobu chemických sloučenin, jsou biologické oxidace produkující energii optimalizovány pro výrobu energie. Mnoho metaloenzymy zprostředkovat tyto reakce.
Palivové články atd
Palivové články spoléhají na oxidaci organických sloučenin (nebo vodíku) pomocí katalyzátorů. Katalytická topidla vytvářejí bezplamenné teplo ze zdroje hořlavého paliva a kyslík ze vzduchu jako oxidant.
Reference
- ^ Gerhard Franz, Roger A. Sheldon „Oxidation“ in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2000 doi:10.1002 / 14356007.a18_261
- ^ Haruta, Masatake (říjen 2005). "Zlatá horečka". Příroda. 437 (7062): 1098–1099. doi:10.1038 / 4371098a. ISSN 1476-4687. PMID 16237427.
- ^ Mario G. Clerici, Marco Ricci a Giorgio Strukul „Tvorba vazeb CO – O oxidací“ v katalýze kovů v průmyslových organických procesech Gian Paolo Chiusoli, Peter M. Maitlis, ed. 2006, RSC. ISBN 978-0-85404-862-5.
- ^ Schmidt-Rohr, K. (2020). „Kyslík je vysokoenergetická molekula pohánějící složitý mnohobuněčný život: základní opravy tradiční bioenergetiky“ ACS Omega 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
externí odkazy
- https://archive.is/20130626171216/https://portal.navfac.navy.mil/portal/page/portal/NAVFAC/NAVFAC_WW_PP/NAVFAC_NFESC_PP/ENVIRONMENTAL/ERB/THERMCATOX
- http://www.frtr.gov/matrix2/section4/4-59.html
Tento chemie související článek je a pahýl. Wikipedii můžete pomoci pomocí rozšiřovat to. |