Katalyzátory v chemii. Co to je? Jaké jsou jejich typy?

Katalýza hraje zásadní roli téměř ve všech chemických procesech. Naprostá většina chemických a biologických reakcí probíhá za přítomnosti katalyzátorů. Katalyzátory jsou chemické látky, které po přidání do reakčního systému mění kinetickou dráhu reakce, ale samy se na reakci nepodílejí. V současné době je za jejich účasti realizováno více než 90 % chemických technologických procesů. Koncept katalýzy a katalyzátorů byl původně formulován v XNUMX. století a v průběhu času se výrazně vyvíjel.

Jaké látky mohou být katalyzátory?

Katalyzované chemické procesy a reakce probíhají za přítomnosti určitých specifických látek tzv katalyzátory. Jejich hlavním úkolem v systémech je snížení aktivační energie, což přímo vede ke zvýšení rychlosti procesu. Výběr katalyzátoru je klíčovou otázkou, která rozhoduje například o účinnosti technologických procesů. Katalyzátory typicky používají specifické chemické sloučeniny nebo systémy jádro-plášť.

Hlavní vlastnosti katalyzátorů a funkce, které plní v systémech:

• Přítomnost katalyzátoru v reakci se v konečné rovnici chemické reakce nebere v úvahu, protože nereaguje se substráty a produkty.
• Po dokončení reakce musí být katalyzátor obnoven. Proto lze katalytickou reakci charakterizovat jako cyklickou.
• Katalyzátor by měl být snadno oddělen od výsledných produktů chemické reakce.
• Katalyzátor nijak neovlivňuje rovnovážný stav reakce a nemění tedy její termodynamiku.
• Hlavní charakteristiky, které musí mít katalyzátory, jsou vysoká aktivita a selektivita, stejně jako stabilita v čase.
• Katalyzátory musí splňovat řadu základních požadavků týkajících se jejich struktury, včetně vhodné velikosti pórů, krystalické fáze, pevnosti v tlaku, rychlosti regenerace, fluidizačních vlastností, citlivosti na otěr, průměrného chemického složení, skutečné plochy povrchu, velikosti zrna a dalších.

Příklady katalyzátorů

Kovy

Kovy jsou velmi dobré katalyzátory, které se snadno používají v průmyslu. Přechodné kovy jsou zvláště zajímavé, protože mohou existovat ve dvou nebo více oxidačních stavech, jako je železo v oxidu železitém (II) nebo oxidu železitém (III). Tyto kovy mají d-orbitaly, které nejsou zcela vyplněny, což jim umožňuje snadno dávat a přijímat elektrony z jiných molekul. V posledních letech jsou katalyzátory na bázi kovových nanočástic stále důležitější díky svým jedinečným vlastnostem.

Platina je kov, který se používá mimo jiné v procesech hydrogenace funkčních skupin nebo dehydrogenace v organické syntéze. Je to chemicky neutrální látka, stabilní v oxidačních prostředích a s vysokým obsahem vlhkosti. Při teplotách nad 450°C se na jeho povrchu tvoří film oxidu platičitého. Platina ve sloučeninách se vyskytuje v několika oxidačních stavech, ale obvykle má jako katalyzátor hodnoty II nebo IV. Kromě využití v chemické technologii se platina používá také v automobilových katalyzátorech. Má schopnost vázat atomy kyslíku na toxický oxid uhelnatý (II) ve výfukových plynech automobilů. Tím vzniká mnohem méně škodlivého oxidu uhličitého.

Palladium – Palladiové katalyzátory se účastní řady organických reakcí jako je cyklizace, hydrogenace, oxidace, izomerizace, radikálové reakce a další. Jsou vysoce tolerantní k různým funkčním skupinám a často jsou schopny poskytovat vynikající stereoselektivitu, čímž se vyhnou potřebě určitých chránících skupin. Kromě toho jsou palladiové katalyzátory zvláště účinné například při selektivní hydrogenaci, což umožňuje získat požadované produkty v jediném reakčním cyklu.

Nikl – jako katalyzátor hraje klíčovou roli v mnoha organických reakcích, jako je oxidace, redukce, cyklizace, tvorba vazeb uhlík-heteroatom a další. Ve sloučeninách se vyskytuje v několika oxidačních stavech: II, III a IV. Nikl je poměrně chemicky aktivní prvek, ale zároveň má vysokou chemickou stabilitu. Tento kov má jednu důležitou výhodu – je levnější než jiné katalyzátory na bázi přechodných kovů, takže se často používá jako alternativa k palladiu, například při kopulačních reakcích.

Zlato — některé katalytické reakce se provádějí v přítomnosti zlata. Jeho katalytická aktivita je vysoce závislá na velikosti a struktuře krystalitů. Jejich účinnost závisí také na způsobu výroby. Zlaté katalyzátory jsou nejčastěji konglomeráty tohoto prvku spolu s nosičem, který např. poskytnutím odpovídajícího množství kyslíku dále zvyšuje svoji aktivitu. Komplexy tohoto kovu jsou velmi dobrými katalyzátory vazebných reakcí uhlík-uhlík, uhlík-dusík nebo uhlík-kyslík díky snadnosti, se kterou mohou aktivovat dvojné a trojné vazby, například v uhlíkových řetězcích. Příklady reakcí katalyzovaných zlatem zahrnují oxidaci oxidu uhelnatého, oxidaci alkoholů a aldehydů, epoxidační reakce, hydrogenaci aldehydů a další.

Anorganické sloučeniny

Anorganické sloučeniny, zejména oxidy kovů a nekovů, některé soli a kyseliny, jsou příklady anorganických katalyzátorů. Obvykle jsou tyto látky naneseny na speciálních nosičích, což jsou porézní materiály (například uhlík, oxid křemičitý nebo oxid hlinitý), které si zachovávají své katalytické vlastnosti (čím větší je povrch nosiče, tím větší je kontaktní plocha mezi činidly). Důležitým aspektem výběru anorganické sloučeniny jako katalyzátoru je počet aktivních míst, které má. Přítomnost velkého množství tzv. aktivních míst, na která se vážou činidla účastnící se katalyzované reakce, zvyšuje účinnost reakce.

Oxid vanadičný (V). – katalyzátory s V₂O₅ jako hlavní složka jsou účinné téměř ve všech oxidačních reakcích. Hrají důležitou roli v moderním chemickém průmyslu. Jednou z nejdůležitějších aplikací těchto katalyzátorů je výroba kyseliny sírové (VI). Oxid vanadičný katalyzuje oxidaci oxidu sírového na oxid sírový, který je poté absorbován na kyselinu sírovou (VI). V těchto procesech je vanadový katalyzátor definován jako kontaktní katalyzátor, protože je v jiné fázi než ostatní reakční složky. V průmyslu se obvykle používá ve formě nosiče s aktivní fází uloženou na jeho povrchu. Mezi jeho nejdůležitější přednosti patří nízká teplota vznícení, stabilita procesu a vysoký koeficient absorpce prachu. Kromě výroby kyseliny sírové (VI) se oxid vanadičný (V) používá také jako katalyzátor při výrobě kaučuku, krakování ropy a syntéze některých vysokomolekulárních sloučenin.

Chlorid hlinitý. Nejběžnějším použitím chloridu hlinitého jako katalyzátoru v organické syntéze je Friedel-Craftsova alkylační reakce. AlCl₃ je v jiném skupenství hmoty (pevné fáze) než ostatní činidla, takže se v tomto případě jedná o heterogenní katalýzu. Její katalytické vlastnosti jsou založeny především na tom, že se z hlediska chemické struktury a vlastností jedná o tzv. Lewisovu kyselinu. Jeho hlavním rysem je jeho schopnost přijímat Lewisovy páry bází. Chlorid hlinitý jako katalyzátor a Lewisova kyselina se spojují s vybranými molekulami nebo jejich fragmenty za vzniku přechodových komplexů, které se pak rozkládají na karbokationty.

Kyselina sírová (VI)— Kyselina sírová (VI) má v případě určitých chemických reakcí katalytické vlastnosti i v malých množstvích. Příkladem takové reakce může být esterifikace kyseliny octové ethylalkoholem nebo nitrace aromatických sloučenin. Tato kyselina pak působí jako homogenní katalyzátor a je tedy v systému ve stejné fázi jako ostatní reaktanty. Protože jde o vysoce koncentrovanou kyselinu zavedenou do reakčního média, uvolňuje vodíkové ionty, které nastartují probíhající procesy. Kromě toho je další vlastností kyseliny sírové (VI) její hygroskopičnost. Molekuly vody vzniklé při esterifikačním procesu jsou jím vázány a to vede k posunu rovnováhy směrem k tvorbě více produktů. Je však třeba mít na paměti, že se nejedná o efekt katalyzování reakce, ale pouze o posun v rovnovážném stavu.

Biokatalyzátory

Biokatalyzátory jsou chemické sloučeniny, které katalyzují reakce probíhající v lidském těle a vznikají v něm. Jsou klíčovými prvky všech biochemických přeměn. Nejenže je urychlují, ale také vykazují určitou selektivitu při katalýze vybraných reakcí. Největší skupinou biokatalyzátorů jsou samozřejmě enzymy, včetně neproteinových katalyzátorů, tedy ribozymy. Jejich charakteristickým znakem je schopnost autokatalýzy.

Enzymy jsou vysoce selektivní katalyzátory, které významně urychlují jak rychlost, tak selektivitu metabolických reakcí. Podílejí se na všech chemických reakcích těla. Enzymy jako organické katalyzátory (nebo biokatalyzátory) jsou produkovány buňkami. Mohou to být buď jednoduché proteiny, nebo komplexní proteiny. Jejich charakteristickým znakem je přítomnost dvou skupin: protetických a aferentních. Enzymy katalyzují oxidační a redukční reakce komplexních organických sloučenin, procesy přenosu funkčních skupin, hydrolýzu různých typů vazeb, destrukci chemických vazeb, změny molekulární izomerizace a tvorbu nových kovalentních vazeb. Jejich roli v lidském těle nelze přeceňovat. Účastní se téměř všech životních procesů, jak anabolických, tak katabolických. Katalyzováním vybraných reakcí výrazně ovlivňují směr metabolických drah v organismu.

1. https://www.khanacademy.org/science/chemistry/chem-kinetics/arrhenius-equation/a/types-of-catalysts
2. https://science.osti.gov/-/media/bes/pdf/brochures/2017/Catalysis_Science_brochure.pdf
3. https://www.britannica.com/science/catalyst
4. https://www.energy.gov/science/doe-explainscatalysts