触媒酸化

触媒酸化は、触媒を利用して有機化合物や無機化合物に酸素を導入するプロセスです。この記事の焦点を含む多くの用途では、酸素による酸化が関係しています。このようなプロセスは、汚染物質の除去、貴重な化学物質の生産、エネルギーの生産のために大規模に行われています。^[1]

カルボン酸、ケトン、エポキシド、アルコールは、多くの場合、アルカンやアルケンを二酸素で部分酸化することで得られます。これらの中間体は、消費財の生産に不可欠です。酸素と炭化水素の間で最も好ましい反応は燃焼であるため、部分酸化は困難です。

硫酸は二酸化硫黄の酸化によって得られる三酸化硫黄から生成されます。食品グレードのリン酸塩は白リンの酸化によって生成されます。自動車の排気ガス中の一酸化炭素は触媒コンバーターで二酸化炭素に変換されます。

工業的に重要な例としては、無機基質と有機基質の両方が含まれます。

酸化触媒は、不均一触媒と均一触媒の両方によって行われます。不均一プロセスでは、ガス状基質と酸素 (または空気) が固体触媒上を通過させられます。一般的な触媒は、白金、鉄、バナジウム、モリブデンの酸化還元活性酸化物です。多くの場合、触媒は速度や選択性を高める多数の添加剤や促進剤で修飾されます。

有機化合物の酸化のための重要な均一触媒は、コバルト、鉄、マンガンのカルボキシレートである。有機溶媒への良好な溶解性を与えるために、これらの触媒は、親油性の高いナフテン酸やエチルヘキサン酸から誘導されることが多い。これらの触媒はラジカル連鎖反応、つまり自動酸化を開始し、有機ラジカルを生成し、これが酸素と結合してヒドロペルオキシド中間体を生成する。一般に、酸化の選択性は結合エネルギーによって決定される。例えば、ベンジルCH結合は芳香族CH結合よりも速く酸素に置換される。^[2]

医薬や学術上の関心のあるファインケミカルを製造するために、多くの選択的酸化触媒が開発されてきました。ノーベル賞を受賞した例としては、シャープレスのエポキシ化とシャープレスのジヒドロキシ化があります。

触媒酸化は生物学では一般的であり、特に好気性生物は空気による有機化合物の酸化によって得られるエネルギーで生存しているためです。化学物質の生産に最適化されている工業プロセスとは対照的に、エネルギーを生成する生物学的酸化はエネルギーを生成するために最適化されています。多くの金属酵素がこれらの反応を媒介します。

燃料電池は、触媒を使用した有機化合物（または水素）の酸化に依存しています。触媒ヒーターは、可燃性燃料と酸化剤としての空気からの酸素の供給から無炎熱を生成します。

触媒酸化における最大の課題は、メタンをメタノールに変換することである。ほとんどのメタンは都市部の近くに存在せず、取り残されている。その結果、メタンは燃やされる（二酸化炭素に変換される）。課題の1つは、メタノールはメタンよりも酸化されやすいことである。^[3]

酸素または空気による触媒酸化は、グリーンケミストリーの主な応用です。しかし、それほど簡単には達成できない酸化も数多くあります。プロピレンからプロピレンオキシドへの変換は、通常、酸素や空気ではなく、 過酸化水素を使用して行われます。

• 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 2022-11-13にWayback Machineでアーカイブ