Homogene Katalyse
SäurekatalyseBearbeiten
Das Proton ist ein weit verbreiteter homogener Katalysator, da Wasser das häufigste Lösungsmittel ist. Wasser bildet Protonen durch den Prozess der Selbstionisierung von Wasser. Zur Veranschaulichung: Säuren beschleunigen (katalysieren) die Hydrolyse von Estern:
CH3CO2CH3 + H2O ⇌ CH3CO2H + CH3OH
Bei neutralem pH-Wert hydrolysieren wässrige Lösungen der meisten Ester nicht in praktischer Geschwindigkeit.
ÜbergangsmetallkatalyseBearbeiten
Hydrierung und verwandte Reaktionen
Eine wichtige Klasse reduktiver Umwandlungen sind Hydrierungen. Bei diesem Verfahren wird H2 an ungesättigte Substrate addiert. Eine verwandte Methode, die Transferhydrierung, beinhaltet die Übertragung von Wasserstoff von einem Substrat (dem Wasserstoffdonator) auf ein anderes (den Wasserstoffakzeptor). Verwandte Reaktionen sind „HX-Additionen“, wobei X = Silyl (Hydrosilylierung) und CN (Hydrocyanierung). Die meisten großtechnischen Hydrierungen – Margerine, Ammoniak, Benzol zu Cyclohexan – werden mit heterogenen Katalysatoren durchgeführt. Für feinchemische Synthesen werden jedoch häufig homogene Katalysatoren verwendet.
Carbonylierungen
Bei der Hydroformylierung, einer wichtigen Form der Carbonylierung, werden H und „C(O)H“ an eine Doppelbindung addiert. Dieser Prozess wird fast ausschließlich mit löslichen rhodium- und kobalthaltigen Komplexen durchgeführt.
Eine verwandte Carbonylierung ist die Umwandlung von Alkoholen in Carbonsäuren. MeOH und CO reagieren in Gegenwart von homogenen Katalysatoren zu Essigsäure, wie es im Monsanto-Verfahren und im Cativa-Verfahren praktiziert wird. Zu den verwandten Reaktionen gehören die Hydrocarboxylierung und die Hydroveresterung.
Polymerisation und Metathese von Alkenen
Eine Reihe von Polyolefinen, z. B. Polyethylen und Polypropylen, werden durch Ziegler-Natta-Katalyse aus Ethylen und Propylen hergestellt. Es dominieren heterogene Katalysatoren, aber viele lösliche Katalysatoren werden insbesondere für stereospezifische Polymere eingesetzt. Die Olefinmetathese wird in der Industrie meist heterogen katalysiert, aber homogene Varianten sind in der feinchemischen Synthese wertvoll.
Oxidationen
Homogene Katalysatoren werden auch bei einer Vielzahl von Oxidationen eingesetzt. Nach dem Wacker-Verfahren wird Acetaldehyd aus Ethylen und Sauerstoff hergestellt. Viele nicht-organometallische Komplexe werden ebenfalls in der Katalyse eingesetzt, z. B. zur Herstellung von Terephthalsäure aus Xylol. Alkene werden durch Metallkomplexe epoxidiert und dihydroxyliert, wie der Halcon-Prozess und die Sharpless-Dihydroxylierung zeigen.
Enzyme (einschließlich Metalloenzyme)
Enzyme sind homogene Katalysatoren, die für das Leben unerlässlich sind, aber auch für industrielle Prozesse genutzt werden. Ein gut untersuchtes Beispiel ist die Kohlensäureanhydrase, die die Freisetzung von CO2 aus dem Blutkreislauf in die Lunge katalysiert. Enzyme besitzen sowohl die Eigenschaften von homogenen als auch von heterogenen Katalysatoren. Als solche werden sie gewöhnlich als eine dritte, separate Kategorie von Katalysatoren betrachtet. Wasser ist ein häufiges Reagenz bei der enzymatischen Katalyse. Ester und Amide werden in neutralem Wasser nur langsam hydrolysiert, aber die Geschwindigkeit wird durch Metalloenzyme, die als große Koordinationskomplexe betrachtet werden können, stark beeinflusst. Acrylamid wird durch die enzymatisch katalysierte Hydrolyse von Acrylnitril hergestellt. Der US-Bedarf an Acrylamid belief sich 2007 auf 253.000.000 Pfund (115.000.000 kg).