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

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

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

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

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

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

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

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

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

Externí odkazy

Reference

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.

[1] Gerhard Franz, Roger A. Sheldon Oxidation in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2000 DOI:10.1002/14356007.a18_261

[2] 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

[3] 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

[4] 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.

[1]

[2]

[3]

[4]