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触媒作用（/ k ə ˈ t æ l ɪ s ɪ s /、kə- TAL -iss-iss ）は、触媒と呼ばれる物質を添加することによって化学反応の速度が増加することです[ 1 ] [ 2 ]（/ ˈ k æ t əl ɪ s t / KAT -əl-ist）。触媒は反応によって消費されず、反応後も変化しません。[ 3 ]反応が速く、触媒がすぐにリサイクルされる場合は、ごく少量の触媒で十分な場合が多いです。[ 4 ]混合、表面積、温度は反応速度の重要な要因です。触媒は一般的に、1 つ以上の反応物と反応して中間体を形成し、その後、触媒を再生する過程で最終反応生成物を与えます。
反応速度の増加は、触媒によって非触媒機構よりもはるかに速い別の機構で反応が起こるためである。しかし、非触媒機構も依然として可能であるため、触媒が存在する場合、全反応速度（触媒あり＋非触媒）は増加するだけで、減少することはない。[ 5 ]
触媒作用は、反応物と同じ相（通常は気体または液体）に成分が分散している均一触媒と、成分が同じ相にない不均一触媒に分類される。酵素やその他の生体触媒は、しばしば第三のカテゴリーとみなされる。さらに、ナノ触媒とは、応用ナノ科学の分野で使用されるナノサイズの触媒のことである。
触媒作用は化学産業においてほぼ普遍的である。[ 6 ]商業的に生産される化学製品の90%は、製造工程のどこかの段階で触媒を使用していると推定されている。[ 7 ]
「触媒」という用語は、ギリシャ語のκαταλύειν、katalueinに由来し、「緩める」または「解く」という意味です。触媒作用の概念は、化学者のエリザベス・フルハムが酸化還元実験における彼女の斬新な研究に基づいて考案しました。[ 8 ] [ 9 ]
一例として、触媒が過酸化水素を水と酸素に分解する速度を速める効果が挙げられる。
この反応は、反応生成物が出発物質よりも安定しているため進行しますが、この分解は非常に遅いため、過酸化水素溶液が市販されています。二酸化マンガンなどの触媒が存在すると、この反応ははるかに速く進行します。この効果は、酸素の発泡によって容易に確認できます。 [ 10 ]触媒は反応で消費されず、変化せずに回収され、無期限に再利用できます。したがって、二酸化マンガンはこの反応を触媒すると言われています。生物では、この反応はカタラーゼなどの酵素（触媒として機能するタンパク質）によって触媒されます。
もう一つの例は、触媒が大気汚染や一酸化炭素の削減に及ぼす影響です。一酸化炭素を望ましい生成物に変換するための活性かつ選択的な触媒の開発は、触媒の最も重要な役割の一つです。一酸化炭素の水素化に触媒を使用することで、この有毒ガスを除去し、有用な物質を生成することができます。[ 11 ]
触媒の触媒活性を測定するためのSI組立単位はカタル（katal）で、モル毎秒で定量化されます。触媒の生産性はターンオーバー数（TON）で表され、触媒活性はターンオーバー頻度（TOF）で表されます。TOFは単位時間あたりのTONです。生化学的等価単位は酵素単位（enzyme unit）です。酵素触媒の効率に関する詳細については、酵素に関する記事を参照してください。
一般的に、触媒が存在すると化学反応はより速く進行します。これは、触媒が非触媒機構よりも活性化エネルギーの低い代替反応機構（反応経路）を提供するためです。触媒機構では、触媒は再生されます。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
気相で起こる簡単な例として、反応2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3は、一酸化窒素を加えることで触媒されます。この反応は2段階で起こります。
NO触媒は再生される。全体の反応速度は遅い段階の反応速度である[ 15 ]
不均一触媒作用の一例として、二酸化チタン（TiO 2、またはチタニア）表面での酸素と水素の反応による水の生成が挙げられる。走査トンネル顕微鏡観察により、分子が吸着と解離を起こすことが示された。解離した表面に結合したO原子とH原子は一緒に拡散する。中間反応状態は、HO 2、H 2 O 2、そしてH 3 O 2と反応生成物（水分子二量体）であり、その後、水分子は触媒表面から脱着する。 [ 16 ] [ 17 ]
触媒は、触媒を用いない反応とは異なる反応経路を可能にします。これらの経路は活性化エネルギーが低く、結果として、遷移状態に到達するために必要なエネルギーを持つ分子衝突の数が増加します。したがって、触媒は、反応速度論的な障壁によって阻害または遅延される反応を可能にすることができます。触媒は、反応速度や選択性を向上させたり、より低い温度で反応を可能にしたりする可能性があります。この効果は、エネルギープロファイル図で示すことができます。
触媒を用いた素反応では、触媒は反応の進行度を変えません。つまり、反応の化学平衡には影響を与えません。正反応速度と逆反応速度の比は変化しません（熱力学も参照）。熱力学第二法則は、触媒が反応の化学平衡を変えない理由を説明しています。仮に、平衡を移動させる触媒が存在するとしましょう。触媒を系に導入すると、反応は新しい平衡へと移動し、エネルギーが生成されます。反応はギブズ自由エネルギーが生成される場合にのみ自発的に起こるため、エネルギーの生成は必然的な結果です。エネルギー障壁がなければ、触媒は必要ありません。すると、触媒を取り除くと、反応が起こり、エネルギーが生成されます。つまり、触媒の添加とその逆過程である除去の両方でエネルギーが生成されます。したがって、平衡を変化させる触媒は永久機関となり、熱力学の法則に矛盾することになります。[ 18 ]したがって、触媒は平衡定数を変化させません。（ただし、触媒は後続の段階で反応することで平衡濃度を変化させることができます。その場合、反応が進むにつれて消費されるため、触媒も反応物となります。例として、エステルの塩基触媒加水分解が挙げられます。この場合、生成したカルボン酸は直ちに塩基触媒と反応し、反応平衡は加水分解の方向にシフトします。）
触媒は、出発物質よりも遷移状態をより安定化させる。出発物質と遷移状態とのエネルギー差を小さくすることで、反応速度論的障壁を低下させる。出発物質と生成物とのエネルギー差（熱力学的障壁）や、利用可能なエネルギー（これは熱や光として環境から供給される）は変化させない。
いわゆる触媒の中には、実際には反応中に触媒に変化するプレ触媒であるものがある。例えば、ウィルキンソン触媒RhCl(PPh 3 ) 3は、真の触媒サイクルに入る前にトリフェニルホスフィン配位子を1つ失う。プレ触媒は保存しやすいが、その場で容易に活性化される。この事前活性化ステップのため、多くの触媒反応には誘導期間が伴う。
協同触媒作用において、触媒活性を向上させる化学種は、助触媒または促進剤と呼ばれる。
タンデム触媒反応では、2種類以上の異なる触媒がワンポット反応で組み合わされる。
自己触媒反応では、触媒は全体の反応の生成物であり、本稿で検討する他のすべてのタイプの触媒反応とは対照的です。自己触媒反応の最も単純な例は、1段階または複数段階で起こる A + B → 2 B 型の反応です。全体の反応は単に A → B なので、B は生成物です。しかし、B は反応物でもあるため、反応速度式に含まれ、反応速度に影響を与える可能性があります。反応が進むにつれて、B の濃度が増加し、触媒として反応を加速することができます。事実上、反応は自ら加速するか、自己触媒反応となります。例としては、アスピリンなどのエステルの加水分解によるカルボン酸とアルコールの生成が挙げられます。酸触媒を添加しない場合、カルボン酸生成物が加水分解を触媒します。
スイッチング触媒とは、触媒が異なる基底状態（それぞれ異なる反応性を持つ）間で切り替えられるタイプの触媒を指し、通常は外部刺激を加えることによって切り替えられます。[ 19 ]この触媒を可逆的に切り替えることができる能力により、触媒活性と選択性を時空間的に制御できます。触媒を切り替えるために使用される外部刺激には、温度、pH、光[ 20 ] 、電場、または化学物質の添加の変化が含まれます。
真の触媒は犠牲触媒と併用して作用する。真の触媒は素反応で消費され、不活性化される。犠牲触媒は真の触媒を再生し、次のサイクルに備える。犠牲触媒は反応で消費されるため、厳密には触媒ではなく試薬である。例えば、四酸化オスミウム（OsO 4）はジヒドロキシル化に適した試薬であるが、毒性が高く高価である。アップジョンジヒドロキシル化では、犠牲触媒であるN-メチルモルホリンN-オキシド（NMMO）がOsO 4を再生するため、OsO 4は触媒量のみで済む。
触媒作用は、均一触媒作用と不均一触媒作用に分類できます。均一触媒作用とは、反応物の分子と同じ相（通常は気体または液体）に成分が分散している触媒作用です。不均一触媒作用とは、反応成分が同じ相に存在しない触媒作用です。酵素やその他の生体触媒は、しばしば第三のカテゴリーに分類されます。不均一触媒作用、均一触媒作用、および生体触媒作用には、同様のメカニズム原理が適用されます。
不均一触媒は反応物とは異なる相で作用します。ほとんどの不均一触媒は固体であり、液体または気体の反応混合物中の基質に作用します。重要な不均一触媒には、ゼオライト、アルミナ[ 21 ]、高次酸化物、グラファイト状炭素、遷移金属酸化物、水素化用のラネーニッケルなどの金属、接触法による二酸化硫黄の三酸化硫黄への酸化用のバナジウム(V)酸化物[ 22 ]などがあります。
表面での反応には、吸着の仕方に応じてさまざまなメカニズムが知られています（ラングミュア-ヒンシェルウッド、エリー-ライディール、マース-ファン・クレベレン）。[ 23 ]固体の総表面積は反応速度に重要な影響を与えます。触媒粒子のサイズが小さいほど、一定質量の粒子の表面積は大きくなります。
不均一触媒には活性部位があり、これは基質が実際に結合する原子または結晶面のことです。活性部位は原子ですが、固体の面（エッジ、表面、ステップなど）として表現されることがよくあります。不均一触媒の体積の大部分だけでなく、表面の大部分も触媒活性を持たない可能性があります。活性部位の性質を解明することは、技術的に困難です。
例えば、窒素と水素からアンモニアを合成するハーバー・ボッシュ法の触媒は、しばしば鉄と表現されます。しかし、詳細な研究と多くの最適化により、鉄-カリウム-カルシウム-アルミニウム酸化物の混合物である触媒が開発されました。[ 24 ]反応ガスは鉄粒子の活性サイトに吸着します。物理的に吸着されると、反応物は部分的にまたは完全に解離して新しい結合を形成します。このようにして、窒素の特に強い三重結合が切断されます。これは、活性化エネルギーが高いため、気相では極めてまれです。したがって、全体の反応の活性化エネルギーが低下し、反応速度が増加します。[ 25 ]不均一系触媒が適用されるもう1つの場所は、硫酸製造のためのバナジウム(V)酸化物上での二酸化硫黄の酸化です。[ 22 ]多くの不均一系触媒は実際にはナノ材料です。
不均一触媒は一般的に「担持」されており、これは触媒が効果を高めたりコストを最小限に抑えたりする第2の材料上に分散されていることを意味します。担体は小さな触媒粒子の凝集や焼結を防ぎ、または最小限に抑え、より多くの表面積を露出させるため、担体上の触媒はより高い比活性（グラムあたり）を持ちます。担体は、表面積を増やすために触媒を広げる表面である場合もあります。より多くの場合、担体と触媒は相互作用し、触媒反応に影響を与えます。担体は、個々の触媒分子が化学的に結合するためのサイトを提供することで、ナノ粒子の合成にも使用できます。担体は、表面積の大きい多孔質材料であり、最も一般的なのはアルミナ、ゼオライト、またはさまざまな種類の活性炭です。特殊な担体には、二酸化ケイ素、二酸化チタン、炭酸カルシウム、硫酸バリウムなどがあります。[ 26 ]
電気化学、特に燃料電池工学の分野では、燃料電池を構成する半反応の速度を高めるために、様々な金属含有触媒が用いられています。燃料電池用電極触媒の一般的なタイプの一つは、やや大きめの炭素粒子上に担持された白金ナノ粒子をベースとしています。この白金は、燃料電池内の電極の一つと接触すると、酸素を水、水酸化物、または過酸化水素に還元する反応速度を高めます。
均一系触媒は反応物と同じ相で機能します。通常、均一系触媒は基質とともに溶媒に溶解されます。均一系触媒作用の一例として、酢酸とメタノールから酢酸メチルを生成する反応など、カルボン酸のエステル化に対するH +の影響が挙げられます。[ 27 ]均一系触媒を必要とする大量生産プロセスには、ヒドロホルミル化、ヒドロシリル化、ヒドロシアン化などがあります。無機化学者にとって、均一系触媒作用はしばしば有機金属触媒と同義です。[ 28 ]しかし、多くの均一系触媒は有機金属ではなく、 p-キシレンをテレフタル酸に酸化する反応を触媒するコバルト塩の使用がその例です。
触媒作用の研究において、遷移金属が注目を集めることが多い一方で、金属を含まない小さな有機分子も触媒特性を示すことがあり、多くの酵素が遷移金属を欠いているという事実からもそれが明らかです。一般的に、有機触媒は遷移金属（イオン）系触媒よりも高い触媒量（反応物単位量あたりの触媒量、物質量に対するモル％ で表される）を必要としますが、これらの触媒は通常、大量に市販されているため、コスト削減に役立ちます。2000年代初頭、これらの有機触媒は「新世代」触媒とみなされ、従来の金属（イオン）含有触媒と競合するようになりました。
有機触媒は、水素結合などの非共有結合相互作用を利用して、金属を含まない酵素のように機能すると考えられています。有機触媒の分野は、好ましい触媒-基質結合と相互作用に応じて、共有結合型（プロリン、DMAPなど）有機触媒と非共有結合型（チオ尿素有機触媒など）有機触媒の応用に分けられます。2021年のノーベル化学賞は、ベンジャミン・リストとデビッド・W・C・マクミランに「不斉有機触媒の開発」に対して共同で授与されました。[ 29 ]
光触媒作用とは、触媒が光を受けて励起状態を生成し、酸化還元反応を引き起こす現象である。 [ 30 ]光触媒作用によって一重項酸素が生成されることが多い。光触媒は色素増感太陽電池の構成要素である。ナノ光触媒作用は、光触媒作用をナノスケールで特殊化したものである。
生物学において、酵素は代謝および異化におけるタンパク質ベースの触媒である。ほとんどの生体触媒は酵素であるが、リボザイムや合成デオキシリボザイムなど、他の非タンパク質ベースの生体分子クラスも触媒特性を示す。[ 31 ]
生体触媒は、均一系触媒と不均一系触媒の中間的な存在と考えることができるが、厳密に言えば、可溶性酵素は均一系触媒であり、膜結合型酵素は不均一系触媒である。酵素（およびその他の触媒）の活性には、温度、pH、酵素、基質、生成物の濃度など、いくつかの要因が影響する。酵素反応において特に重要な試薬は水であり、水は多くの結合形成反応の生成物であり、多くの結合切断反応の反応物でもある。
生体触媒反応では、酵素を用いて高果糖コーンシロップやアクリルアミドなど、多くの汎用化学物質が製造される。
化学反応の遷移状態に似た安定な分子を結合標的とするモノクローナル抗体の中には、その化学反応の活性化エネルギーを低下させることで、その化学反応の弱い触媒として機能するものがある。 [ 32 ]このような触媒抗体は「アブザイム」と呼ばれることもある。
商業的に生産される化学製品の90%は、製造工程のどこかの段階で触媒を使用していると推定されています。2005年には、触媒プロセスによって世界中で約9000億ドル相当の製品が生産されました。[ 34 ]触媒作用は非常に広範囲に及んでいるため、サブ分野を簡単に分類することはできません。以下に、特に集中しているいくつかの分野を概説します。
石油精製では、アルキル化、接触分解（長鎖炭化水素をより小さな断片に分解する）、ナフサ改質、水蒸気改質（炭化水素を合成ガスに変換する）などの工程で触媒が多用されています。化石燃料の燃焼によって発生する排気ガスでさえ、触媒処理によって処理されます。一般的に白金とロジウムで構成される触媒コンバーターは、自動車の排気ガスに含まれる有害な副生成物の一部を分解します。
合成燃料に関して言えば、古くからあるが依然として重要なプロセスとして、合成ガスから炭化水素を生成するフィッシャー・トロプシュ合成法がある。合成ガス自体は、鉄を触媒とする水性ガスシフト反応によって処理される。サバティエ反応は、二酸化炭素と水素からメタンを生成する。バイオディーゼルおよび関連するバイオ燃料は、無機触媒と生体触媒の両方を用いた処理を必要とする。
燃料電池は、陽極反応と陰極反応の両方において触媒を必要とする。
触媒式ヒーターは、可燃性燃料から炎を伴わずに熱を発生させる。
最大規模の化学物質のいくつかは、酸素を使用することが多い触媒酸化によって製造されます。例としては、硝酸（アンモニアから）、硫酸（接触法による二酸化硫黄から三酸化硫黄へ）、p-キシレンからのテレフタル酸、プロピレンまたはプロパンからのアクリル酸、プロパンとアンモニアからのアクリロニトリルなどがあります。[ 23 ]
アンモニアの製造は、最も大規模でエネルギー集約的なプロセスの1つです。ハーバー法では、窒素が酸化鉄触媒上で水素と結合します。[ 35 ]メタノールは一酸化炭素または二酸化炭素から製造されますが、銅亜鉛触媒を使用します。
エチレンとプロピレンから誘導されるバルクポリマーは、しばしばツィーグラー・ナッタ触媒を用いて製造される。ポリエステル、ポリアミド、イソシアネートは、酸塩基触媒反応によって得られる。
ほとんどのカルボニル化プロセスは金属触媒を必要とし、例としてはモンサント酢酸プロセスやヒドロホルミル化が挙げられる。
多くのファインケミカルは触媒反応によって製造されます。その方法には、重工業の方法だけでなく、大規模には法外なコストがかかるより特殊なプロセスも含まれます。例としては、ヘック反応やフリーデル・クラフツ反応などがあります。ほとんどの生物活性化合物はキラルであるため、多くの医薬品はエナンチオ選択的触媒反応（触媒的不斉合成）によって製造されます。抗菌剤レボフロキサシンの前駆体である(R)-1,2-プロパンジオールは、BINAP-ルテニウム錯体に基づく触媒を使用してヒドロキシアセトンから効率的に合成できます。これは野依不斉水素化反応です。[ 36 ]
触媒作用の最も明白な応用例の1つは、ニッケル触媒を使用して脂肪を水素化（水素ガスとの反応）してマーガリンを製造することである。[ 37 ]他の多くの食品は、生体触媒作用によって製造されている（下記参照）。
触媒作用は、工業プロセスの効率を高めることで環境に影響を与えるだけでなく、環境に直接的な役割も果たしている。その顕著な例として、塩素フリーラジカルがオゾンの分解において触媒的な役割を果たすことが挙げられる。これらのラジカルは、クロロフルオロカーボン（CFC）に紫外線が作用することで生成される。
触媒という用語は、プロセスの速度を上げるもの全般を指す広い意味で、ギリシャ語のκαταλύεινに由来し、「無効にする」、「解く」、「拾い上げる」という意味です。触媒作用の概念は、化学者のエリザベス・フルハムによって考案され、酸化還元反応に関する彼女の斬新な研究に基づいて、1794 年の著書で説明されました。[ 8 ] [ 9 ] [ 38 ]有機化学で触媒を意識的に使用した最初の化学反応は、1811 年にゴットリープ・キルヒホフによって研究され、彼は酸触媒によるデンプンのグルコースへの変換を発見しました。触媒作用という用語は、後にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスによって1835 年に[ 39 ]使用され、反応後に変化しない物質によって加速される反応を説明しました。ベルセリウスより前のフルハムは、還元実験で金属ではなく水を使用しました。 18 世紀に触媒作用に取り組んだ他の化学者には、接触過程と呼んだアイハルト・ミッチャーリッヒ[ 40 ]や、接触作用について語ったヨハン・ヴォルフガング・デーベライナー[ 41 ] [ 42 ]がいた。デーベライナーは、水素と白金スポンジをベースとしたライターであるデーベライナーのランプを開発し、これは 1820 年代に商業的に成功し、今日まで使われ続けている。ハンフリー・デービーは触媒作用における白金の使用を発見した。[ 43 ] 1880 年代、ライプツィヒ大学のヴィルヘルム・オストヴァルトは、酸と塩基の存在によって触媒される反応の体系的な研究を開始し、化学反応は有限の速度で起こり、これらの速度を使用して酸と塩基の強さを決定できることを発見した。この研究により、オストヴァルトは 1909 年のノーベル化学賞を受賞した。[ 44 ]ウラジミール・イパティエフは、オリゴマー化の発見と商業化、水素化用触媒の開発など、初期の工業規模の反応をいくつか行った。[ 45 ]
反応速度を低下させる添加物質は、可逆的な場合は反応阻害剤、不可逆的な場合は触媒毒と呼ばれます。[ 1 ]促進剤は、それ自体は触媒ではありませんが、触媒活性を高める物質です。[ 46 ]
阻害剤は反応速度を低下させるため、「負の触媒」と呼ばれることもあります。[ 47 ]しかし、阻害剤という用語は、より高い活性化エネルギーを持つ反応経路を導入することによって作用するわけではないため、好ましいです。これは、非触媒経路で反応が継続するため、速度を低下させることはありません。代わりに、阻害剤は触媒を不活性化するか、フリーラジカルなどの反応中間体を除去することによって作用します。[ 47 ] [ 12 ]不均一触媒では、コーキングによって触媒が阻害され、ポリマー副生成物で覆われます。
阻害剤は反応速度に加えて選択性も変化させる可能性がある。例えば、アルキンからアルケンへの水素化では、酢酸鉛(II) (Pb(CH 3 CO 2 ) 2 )で部分的に「毒化」されたパラジウム(Pd) 触媒を用いることができる (リンドラー触媒)。[ 48 ]触媒が不活性化されない場合、生成されたアルケンはさらに水素化されてアルカンになる。[ 49 ] [ 50 ]
阻害剤は、例えば特定の活性部位のみを選択的に阻害することによって、このような効果を生み出すことができる。別のメカニズムとしては、表面形状の改変が挙げられる。例えば、水素化反応において、金属表面の大きな平面は水素化分解触媒の部位として機能する一方、不飽和化合物の水素化を触媒する部位はより小さい。したがって、表面をランダムに覆う毒物は、汚染されていない大きな平面の数を減少させる傾向があるが、それに比べて小さい部位はそのまま残るため、水素化と水素化分解の選択性が変化する。他にも多くのメカニズムが考えられる。
促進剤は、表面を覆ってコークス層の生成を防いだり、あるいは積極的にコークス層を除去したりすることができる（例えば、プラットフォーム反応における白金上のレニウムなど）。また、触媒物質の分散を促進したり、反応物と結合したりすることも可能である。
生命は、生体高分子によって行われる情報処理と触媒活性の相互作用に基づいている。[ 51 ]生命誕生以前の情報コード化高分子における触媒機能の出現に関する進化経路の 可能性が提案されている。[ 51 ] また、生命はRNA-タンパク質システムとして出現し、その2つの成分が互いの形成を相互に触媒したという説も提案されている。 [ 52 ]
化学反応においてそれ自体は消費されることなく、化学反応の速度を増加させる化学物質と定義される。
なぜなら、反応は代替メカニズムによって継続して起こるため、反応速度は低下しないからです。
触媒は、触媒を用いない反応の律速段階である遅い段階を回避する代替経路を提供することで、反応の活性化エネルギーを低下させる。
触媒濃度[C]は反応速度式には含まれるが、平衡比には含まれない。
オリジナル: Jag skall derföre, för att begagna en i kemien välkänd härledning, kalla den kroppars katalytiska kraft, sönderdelning genom denna kraft katalys, likasom vi med ordet Analys beteckna åtskiljandet af kroppars beståndsdelarメデルスト デン ヴァンリーガ ケミスカ フレンドスカペン。
翻訳：そこで、化学でよく知られている語源を用いて、触媒となる物体（すなわち物質）を触媒力と呼び、この力による他の物体の分解を触媒作用と呼ぶことにします。これは、分析という言葉が、通常の化学的親和性によって物体の構成要素を分離することを意味するのと同様です。