Katalytická oxidace
Katalytické oxidace jsou chemické procesy, při kterých se pomocí katalyzátorů zavádí kyslík do organických a anorganických sloučenin. Tyto procesy mohou být využívány k likvidaci znečišťujících látek, výrobě dále využitelných sloučenin, nebo k získávání energie.[1]
Oxidace organických sloučenin
[editovat | editovat zdroj]Karboxylové kyseliny, ketony, epoxidy a alkoholy se často získávají oxidacemi alkanů a alkynů kyslíkem. Částečná oxidace je obtížná, protože nejvýhodnější reakcí uhlovodíků s kyslíkem je hoření.
Oxidace anorganických sloučenin
[editovat | editovat zdroj]Kyselina sírová se vyrábí z oxidu sírového, který vzniká oxidací oxidu siřičitého. Fosforečnany pro potravinářské účely vznikají oxidací bílého fosforu. Oxid uhelnatý ve výfukových zplodinách se pomocí katalyzátorů přeměňuje na oxid uhličitý.
Příklady
[editovat | editovat zdroj]Průmyslový význam mají katalytické oxidace anorganických i organických sloučenin.
| substrát | proces | katalyzátor | produkt | využití |
|---|---|---|---|---|
| oxid siřičitý | oxid vanadičný (heterogenní) |
kyselina sírová | výroba hnojiv | |
| amoniak | Ostwaldův proces | platina (heterogenní) |
kyselina dusičná | základní chemikálie, TNT |
| sulfan | Clausův proces | oxid vanadičný (heterogenní) |
síra | zpracování vedlejších produktů rafinace ropy |
| methan, amoniak |
Andrussowův proces | platina (heterogenní) |
kyanovodík | základní chemikálie, extrakce zlata |
| ethen | epoxidace | směsi oxidů stříbra (heterogenní) |
ethylenoxid | základní chemikálie, tenzidy |
| cyklohexan | K-A proces | soli Co a Mn (homogenní) |
cyklohexanol cyklohexanon |
prekurzory nylonu |
| ethen | Wackerův proces | soli Pd a Cu (homogenní) |
acetaldehyd | základní chemikálie |
| p-xylen | výroba kyseliny tereftalové | soli Mn a Co (homogenní) |
kyselina tereftalová | výroba plastů |
| propen | allylová oxidace | oxidy Mo (heterogenní) |
kyselina akrylová | výroba plastů |
| propen, amoniak |
amoxidace | oxidy Bi a Mo (heterogenní) |
akrylonitril | výroba plastů |
| methanol | formox proces | oxidy Fe a Mo (heterogenní) |
formaldehyd | základní chemikálie, alkydové pryskyřice |
| butan | maleinanhydridový proces | fosforečnany vanadu (heterogenní) |
maleinanhydrid | plasty, alkydové pryskyřice |
Katalyzátory
[editovat | editovat zdroj]Oxidace mohou být katalyzovány jak heterogenními (katalyzátor je v jiné fázi než reaktanty), tak i homogenními katalyzátory (takové jsou ve stejné fázi jako reaktanty). U heterogenních procesů procházejí plynné reaktanty přes pevné katalyzátory, jako jsou například platina nebo redoxně aktivní oxidy železa, vanadu a molybdenu. Katalyzátory se mnohdy upravují přidáváním dalších látek, které zlepšují rychlost nebo selektivitu.
Významnými homogenními, rozpuštěnými v reakčních směsích s reaktanty, katalyzátory oxidací organických sloučenin jsou karboxyláty kobaltu, železa a manganu. K dosažení dobré rozpustnosti v organických rozpouštědlech bývají tyto katalyzátory často odvozovány od naftenových kyselin a kyseliny 2-ethylhexanové, které jsou silně lipofilní. Katalyzátory tohoto druhu spouštějí radikálové řetězové reakce, autooxidace, které vytváří organické radikály, jež se spojují s kyslíkem za vzniku hydrogenperoxidových meziproduktů.
Selektivitu oxidací obvykle určují energie vazeb, například benzylové vazby C-H jsou nahrazovány kyslíkem rychleji než aromatické vazby C-H.[2]
Využití a výskyt
[editovat | editovat zdroj]Řada katalyzátorů selektivních oxidací byla použita na přípravu sloučenin sloužících k výrobě léčiv nebo využívaných ve výzkumu. Za objevy Sharplessovy epoxidace a Sharplessovy asymetrické dihydroxylace byla udělena Nobelova cena.
Palivové články
[editovat | editovat zdroj]V palivových článcích probíhají oxidace organických sloučenin nebo vodíku za přítomnosti katalyzátorů. Katalytické ohřívače vytvářejí teplo spalováním paliva, kde jako oxidační činidlo slouží vzdušný kyslík.
Biologické katalyzátory
[editovat | editovat zdroj]Katalytické oxidace jsou rozšířené v biochemii, protože aerobní organismy získávají energii oxidacemi organických sloučenin.[3] Mimo zdroje energie mají biologické oxidace význam i pro tvorbu biologicky aktivních sloučenin a při detoxikacích toxických látek. Často jde o hydroxylace řízené enzymy obsahujícími železo, jako je cytochrom P450.
Obtíže
[editovat | editovat zdroj]Jedním z obtížných úkolů je katalytická oxidace methanu na methanol. Methanol se oxiduje snadněji než methan.[4]
Ne všechny oxidace lze snadno provést pomocí kyslíku nebo vzduchu. Přeměna propenu na propylenoxid se provádí peroxidem vodíku.
Odkazy
[editovat | editovat zdroj]Externí odkazy
[editovat | editovat zdroj]- https://archive.today/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 Archivováno 13. 11. 2022 na Wayback Machine.
Reference
[editovat | editovat zdroj]V tomto článku byl použit překlad textu z článku Catalytic oxidation na anglické Wikipedii.
- ↑ Gerhard Franz, Roger A. Sheldon Oxidation in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2000 doi:10.1002/14356007.a18_261
- ↑ Mario G. Clerici, Marco Ricci and Giorgio Strukul "Formation of C–O Bonds by Oxidation" in Metal-catalysis in Industrial Organic Processes Gian Paolo Chiusoli, Peter M Maitlis, Eds. 2006, RSC. ISBN 978-0-85404-862-5
- ↑ Schmidt-Rohr, K. (2020). "Oxygen Is the High-Energy Molecule Powering Complex Multicellular Life: Fundamental Corrections to Traditional Bioenergetics” ACS Omega 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
- ↑ Fabrizio Cavani; Joaquim Henrique Teles. Sustainability in Catalytic Oxidation: An Alternative Approach or a Structural Evolution?. ChemSusChem. 2009, s. 508–534. doi:10.1002/cssc.200900020. PMID 19536755.
