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化学において、均一系触媒とは、主に溶液中の可溶性触媒によって触媒が反応物と同じ相にある触媒作用である。対照的に、不均一系触媒は、触媒と基質がそれぞれ異なる相、通常は固体と気体にあるプロセスを指す。[1]この用語は、ほぼ例外なく溶液を説明するために使用され、有機金属化合物による触媒作用を意味する。均一系触媒は、進化を続ける確立された技術である。代表的な主な用途は酢酸の製造である。酵素は均一系触媒の例である。[2]
例
酸触媒
プロトンは、水が最も一般的な溶媒であるため、広く普及している均一触媒である[4] 。水は自己イオン化の過程でプロトンを形成する。一例として、酸はエステルの加水分解を促進（触媒）する。
- CH 3 CO 2 CH 3 + H 2 O ⇌ CH 3 CO 2 H + CH 3 OH
中性 pH では、ほとんどのエステルの水溶液は実用的な速度で加水分解されません。
遷移金属触媒
水素化および関連反応
還元的変換の代表的なクラスは水素化です。このプロセスでは、不飽和基質に H 2が追加されます。関連する方法論である移動水素化では、1 つの基質 (水素供与体) から別の基質 (水素受容体) に水素が移動します。関連する反応には「HX 付加」が伴います。ここで、X はシリル (ヒドロシリル化) および CN (ヒドロシアン化) です。マーガリン、アンモニア、ベンゼンからシクロヘキサンへの水素化など、大規模な工業用水素化のほとんどは不均一触媒を使用して行われます。ただし、精密化学合成では均一触媒が使用されることがよくあります。
カルボニル化
カルボニル化の代表的な形態であるヒドロホルミル化では、二重結合を介したHと「C(O)H」の付加が伴う。このプロセスは、可溶性のロジウムおよびコバルトを含む錯体を用いてほぼ独占的に行われる。[5]
関連するカルボニル化は、アルコールからカルボン酸への変換です。モンサント法やカティバ法で実践されているように、均一触媒の存在下でMeOHとCO が反応して酢酸を生成します。関連する反応には、ヒドロカルボキシル化とヒドロエステル化があります。
アルケンの重合とメタセシス
ポリエチレンやポリプロピレンなどの多くのポリオレフィンは、エチレンとプロピレンからチーグラー・ナッタ触媒によって製造されます。不均一触媒が主流ですが、特に立体特異的ポリマーには多くの可溶性触媒が使用されています。[6] オレフィンメタセシスは、通常、産業界では不均一触媒で触媒されますが、均一変種はファインケミカル合成において貴重です。[7]
酸化
均一系触媒は、さまざまな酸化反応にも使用されます。ワッカー法では、エチレンと酸素からアセトアルデヒドが生成されます。多くの非有機金属錯体も、キシレンからテレフタル酸を生成する場合など、触媒反応に広く使用されています。ハルコン法やシャープレスのジヒドロキシル化で示されるように、アルケンは金属錯体によってエポキシ化およびジヒドロキシル化されます。
酵素（金属酵素を含む）
酵素は、生命維持に不可欠な均一触媒であるが、工業プロセスにも利用されている。よく研究されている例としては、炭酸脱水酵素がある。これは、血流から肺への二酸化炭素の放出を触媒する。酵素は、均一触媒と不均一触媒の両方の特性を備えている。そのため、酵素は通常、第3の独立した触媒カテゴリと見なされる。水は、酵素触媒において一般的な試薬である。エステルとアミドは中性水中では加水分解が遅いが、その速度は、大きな配位錯体とみなすことができる金属酵素によって大きく左右される。アクリルアミドは、アクリロニトリルの酵素触媒加水分解によって生成される。[8] 2007年時点での米国のアクリルアミド需要は2億5,300万ポンド（1億1,500万kg）であった。
利点と欠点
利点
- 均一系触媒は不均一系触媒よりも選択性が優れている場合が多いです。
- 発熱プロセスの場合、均一触媒は熱を溶媒に放出します。
- 均一触媒は特性評価が容易であり、反応機構を合理的に操作しやすい。[9]
デメリット
- 均一触媒を製品から分離することは困難な場合があります。高活性触媒が関係する場合には、触媒は製品から除去されません。また、蒸留によって揮発性有機生成物が抽出される場合もあります。
- 均一系触媒は不均一系触媒に比べて熱安定性が限られている。多くの有機金属錯体は100℃以下で分解する。しかし、ピンサー型触媒の中には200℃近くで機能するものもある。[10]
参照
参考文献
- ^ IUPAC、化学用語集、第2版（「ゴールドブック」）（1997年）。オンライン修正版：（2006年以降）「触媒」。doi ：10.1351/ goldbook.C00876
- ^ van Leeuwen, PWNM ; Chadwick, JC (2011). 均質触媒: 活性 - 安定性 - 不活性化。Wiley-VCH、Weinheim。ISBN 9783527635993. OCLC 739118524.。
- ^ Klosin, Jerzy; Fontaine, Philip P .; Figueroa, Ruth (2015). 「高温エチレン-α-オレフィン共重合反応のためのグループIV分子触媒の開発」。Accounts of Chemical Research。48 (7): 2004–2016。doi : 10.1021/acs.accounts.5b00065。PMID 26151395 。
- ^ Bell, RP (2013年11月11日). The Proton in Chemistry. ニューヨーク、NY: Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4757-1592-7. OCLC 1066192105.
- ^ コーニルズ、少年;ベルナー、アルミン。フランケ、ロバート。張宝新。ウィーバス、エルンスト。シュミット、クラウス (2017)。 「ヒドロホルミル化」。有機金属化合物による均一系触媒の応用。 23–90ページ。土井：10.1002/9783527651733.ch2。ISBN 9783527328970。
- ^ Elschenbroich, C. 「有機金属」 (2006) Wiley-VCH: ワインハイム。ISBN 978-3-527-29390-2
- ^ Beckerle, Klaus; Okuda, Jun; Kaminsky, Walter; Luinstra, Gerrit A.; Baier, Moritz C.; Mecking, Stefan; Ricci, Giovanni; Leone, Giuseppe; Mleczko, Leslaw; Wolf, Aurel; Grosse Böwing, Alexandra (2017). 「重合と共重合」。有機金属化合物による均一触媒の応用。pp. 191–306。doi :10.1002/ 9783527651733.ch4。ISBN 9783527328970。
- ^ 大原隆;佐藤貴久；清水 昇；プレッシャー、ギュンター。シュウィンド、ヘルムート;ヴァイベルク、オットー。マーテン、クラウス。グライム、ヘルムート (2003)。 「アクリル酸とその誘導体」。ウルマンの工業化学百科事典。ワインハイム: ワイリー-VCH。土井：10.1002/14356007.a01_161.pub2。ISBN 3527306730。
- ^ GO Spessard および GL Miessler「有機金属化学」、Prentice Hall、アッパーサドルリバー、ニュージャージー州、1997 年、pp. 249-251。
- ^ Haibach, Michael C.; Kundu, Sabuj; Brookhart, Maurice; Goldman, Alan S. (2012). 「タンデムアルカン脱水素–オレフィンメタセシス触媒によるアルカンメタセシスと関連化学」。Accounts of Chemical Research . 45 (6): 947–958. doi :10.1021/ar3000713. PMID 22584036.