Katalytisk oxidation

Katalytisk oxidation är processer som är beroende av katalysatorer för att införa syre i organiska och oorganiska föreningar. Många tillämpningar, inklusive fokus i denna artikel, involverar oxidation av syre. Sådana processer bedrivs i stor skala för sanering av föroreningar, produktion av värdefulla kemikalier och produktion av energi.

Oxideringar av organiska föreningar

Karboxylsyror , ketoner , epoxider och alkoholer erhålls ofta genom partiell oxidation av alkaner och alkener med dioxygen . Dessa mellanprodukter är väsentliga för produktionen av konsumtionsvaror. Partiell oxidation är utmanande eftersom den mest gynnade reaktionen mellan syre och kolväten är förbränning .

Oxidationer av oorganiska föreningar

Svavelsyra framställs av svaveltrioxid som erhålls genom oxidation av svaveldioxid. Fosfater av livsmedelskvalitet genereras genom oxidation av vit fosfor. Kolmonoxid i bilavgaser omvandlas till koldioxid i katalysatorer .

Exempel

Industriellt viktiga exempel inkluderar både oorganiska och organiska substrat.

Substrat	Bearbeta	Katalysator	Produkt	Ansökan
svaveldioxid	kontaktprocess	vanadinpentoxid (heterogen)	svavelsyra	konstgödselproduktion
ammoniak	Ostwald-processen	platina (heterogen)	salpetersyra	baskemikalier, TNT
vätesulfid	Claus process	vanadinpentoxid (heterogen)	svavel	sanering av biprodukt från oljeraffinaderi
metan , ammoniak	Andrussow-processen	platina (heterogen)	vätecyanid	baskemikalier, guldbrytningsmedel
eten	epoxidation	blandade Ag-oxider (heterogena)	etylenoxid	baskemikalier, ytaktiva ämnen
cyklohexan	KA-processen	Co- och Mn-salter (homogena)	cyklohexanol cyklohexanon	nylonprekursor
eten	Wacker process	Pd- och Cu-salter (homogena)	acetaldehyd	grundläggande kemikalier
para-xylen	tereftalsyrasyntes	Mn och Co-salter (homogena)	tereftalsyra	plastprekursor
propen	allylisk oxidation	Mo-oxider (heterogena)	akrylsyra	plastprekursor
propen , ammoniak	SOHIO-processen	Bi-Mo-oxider (heterogena)	akrylnitril	plastprekursor
metanol	Formox process	Fe-Mo-oxider (heterogena)	formaldehyd	baskemikalier, alkydhartser
butan	Maleinsyraanhydridprocess	vanadinfosfater (heterogena)	maleinsyraanhydrid	plaster, alkydhartser

Katalysatorer

Oxidationskatalys utförs genom både heterogen katalys och homogen katalys . I de heterogena processerna leds gasformigt substrat och syre (eller luft) över fasta katalysatorer. Typiska katalysatorer är platina och redoxaktiva oxider av järn, vanadin och molybden. I många fall modifieras katalysatorer med en mängd tillsatser eller promotorer som förbättrar hastigheter eller selektiviteter.

Viktiga homogena katalysatorer för oxidation av organiska föreningar är karboxylater av kobolt, järn och mangan. För att ge god löslighet i det organiska lösningsmedlet är dessa katalysatorer ofta härledda från naftensyror och etylhexansyra , som är mycket lipofila. Dessa katalysatorer initierar radikala kedjereaktioner, autooxidation som producerar organiska radikaler som kombineras med syre för att ge hydroperoxidmellanprodukter . I allmänhet bestäms oxidationsselektiviteten av bindningsenergier. Till exempel ersätts bensyliska CH-bindningar av syre snabbare än aromatiska CH-bindningar.

Finkemikalier

Många selektiva oxidationskatalysatorer har utvecklats för framställning av finkemikalier av farmaceutiskt eller akademiskt intresse. Nobelprisvinnande exempel är Sharpless epoxidation och Sharpless dihydroxylering .

Biologisk katalys

Katalytiska oxidationer är vanliga inom biologin, särskilt eftersom aerobt liv existerar på energi som erhålls genom oxidation av organiska föreningar med luft. Till skillnad från de industriella processerna, som är optimerade för att producera kemiska föreningar, är energiproducerande biologiska oxidationer optimerade för att producera energi. Många metalloenzymer medierar dessa reaktioner.

Bränsleceller osv

Bränsleceller är beroende av oxidation av organiska föreningar (eller väte) med hjälp av katalysatorer. Katalytiska värmare genererar flamfri värme från tillförsel av brännbart bränsle och syre från luft som oxidationsmedel .

Utmaningar

Den främsta utmaningen vid katalytisk oxidation är omvandlingen av metan till metanol. Mest metan är strandat , dvs inte beläget nära storstadsområden. Följaktligen är den facklad (omvandlas till koldioxid). En utmaning är att metanol oxideras lättare än metan.

Katalytisk oxidation med syre eller luft är en viktig tillämpning av grön kemi . Det finns dock många oxidationer som inte kan uppnås så enkelt. Omvandlingen av propylen till propylenoxid utförs typiskt med användning av väteperoxid , inte syre eller luft.

externa länkar