Homogenní katalýza je označení skupiny katalytických reakcí, při kterých jsou katalyzátory přítomny ve stejné fázi jako reaktanty, obvykle jde o roztoky. Opakem je heterogenní katalýza, kdy je katalyzátor v jiné fázi než reaktanty, nejčastěji je katalyzátor pevný a reaktanty jsou plynné.
Většina těchto reakcí bývá katalyzována organokovovými sloučeninami.
Příkladem využití může být výroba kyseliny octové; k homogenním katalyzátorům patří mimo jiné enzymy.
Příklady náhled|Příklad komplexu používaného jako prekatalyzátor při výrobě polyalkenů, jako jsou polyethylen a polypropylen.
Kyselá katalýza
Protony lze použít jako homogenní katalyzátory,R. P. Bell "The Proton in Chemistry", Chapman and Hall, London, 1973 protože voda, používaná jako nejběžnější rozpouštědlo, uvolňuje autoionizací. Kyseliny mohou například urychlovat hydrolýzu esterů:
CH3CO2CH3 + H2O CH3CO2H + CH3OH
Při neutrálním pH hydrolýza většiny esterů ve vodných roztocích probíhá nevyužitelně pomalu.
Katalýza pomocí přechodných kovů vpravo|náhled|400px|Mechanismus hydrogenace alkenu katalyzované homogenním Wilkinsonovým katalyzátorem
Hydrogenace a podobné reakce Významnou skupinou redoxních reakcí jsou hydrogenace. Při nich se aduje H2 na nenasycené substráty. Zvláštní případ představuje přenosová hydrogenace, kdy se vodík přesouvá z jednoho substrátu (donoru vodíku) na jiný (akceptor vodíku). Podobnými reakcemi jsou adice HX, kde X = silyl (pak jde o hydrosilylaci) nebo CN (v tomto případě se jedná o hydrokyanaci). Většina průmyslových hydrogenací – při výrobě margarinů, amoniaku a hydrogenaci benzenu na cyklohexan – se katalyzuje heterogenně. Některé chemické syntézy ovšem vyžadují homogenní katalyzátory.
Karbonylace Hydroformylace, významný druh karbonylace, spočívá v adici H a C(O)H na dvojnou vazbu; přitom se téměř vždy používají rozpustné katalyzátory založené na komplexech rhodia a kobaltu.
Podobnou karbonylací je přeměna alkoholů na karboxylové kyseliny. Methanol a oxid uhelnatý reagují za přítomnosti homogenního katalyzátoru za vzniku kyseliny octové, což se využívá v procesech Monsanto a Cativa. Podobnými reakcemi jsou hydrokarboxylace a hydroesterifikace.
Polymerizace a metateze alkenů Mnoho polyalkenů, například polyethylen a polypropylen, se vyrábí za katalýzy Zieglerovými–Nattovými katalyzátory. Většinou se používají heterogenní katalyzátory, byly však, obzvláště při stereospecifických polymerizacích, použity i homogenní.Elschenbroich, C. ”Organometallics” (2006) Wiley-VCH: Weinheim. Metateze alkenů se v průmyslu obvykle katalyzují heterogenně, jsou však také známé homogenní postupy.
Oxidace Homogenní katalyzátory se dají využít i u mnoha oxidačních reakcí. Ve Wackerově procesu vzniká acetaldehyd reakcí ethenu s kyslíkem. Využití v katalýze má i mnoho nekovových organických komplexů, například při výrobě kyseliny tereftalové z xylenu. Alkeny lze epoxidovat a dihydroxylovat za použití kovových komplexů, jako například při Sharplessových dihydroxylacích.
Enzymy (včetně metaloenzymů) Enzymy fungují jako homogenní katalyzátory, které jsou důležité pro živé organismy, mají však i průmyslová využití. Dobře prozkoumaný případ představují karbonátdehydratázy, které katalyzují přenos oxidu uhličitého z krve do plic. Enzymy mají vlastnosti homogenních i heterogenních katalyzátorů, často jsou v tomto smyslu považovány za třetí, oddělenou, skupinu katalyzátorů. Častým reaktantem v enzymatických reakcích je voda. Estery a amidy se v neutrálním prostředí hydrolyzují pomalu, ovšem rychlosti těchto reakcí výrazně zvyšují některé metaloenzymy, což jsou molekuly, které lze považovat za velké komplexy.
Akrylamid se vyrábí enzymaticky katalyzovanou hydrolýzou akrylonitrilu.
Výhody a nevýhody
Výhody Homogenní katalyzátory jsou obecně selektivnější než heterogenní. U exotermních reakcí přenášejí homogenní katalyzátory teplo do rozpouštědla. Homogenní katalyzátory se snadněji přesně charakterizují, jejich reakční mechanismy tak lze snadněji ovládat.G. O. Spessard and G. L. Miessler "Organometallic Chemistry", Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1997, pp. 249-251
Nevýhody Oddělení homogenního katalyzátoru od produktů může být obtížné; u některých vysoce aktivních katalyzátorů se neprovádí. V případě některých jiných reakcí jsou organické produkty dostatečně těkavé, aby mohly být odděleny destilací. Homogenní katalyzátory mívají ve srovnání s heterogenními nižší tepelnou stabilitu. Řada organokovových komplex§ se rozkládá za teplot nižších než 100 °C. Existují však i takové, jež lze použít i při teplotách okolo 200 °C.
Reference
Externí odkazy
Kategorie:Katalýza