Металлокомплексный катализ — одна из наиболее актуальных областей теории и применения координационных соединений металлов.
С участием металлокомплексных катализаторов происходят такие незаменимые природные биохимические процессы, как фиксация атмосферного азота и фотохимическое усвоение углекислого газа растениями, гидролиз пептидов и углеводов, окислительно-восстановительные и многие другие биохимические процессы с участием металлоферментов в организме человека. Эта ветвь металлокомплексного катализа составляет часть бионеорганической химии.
Процессы, где применяется металлокомплексный катализ
Металлокомплексный катализ развивается путем как моделирования действия металлоферментов в биохимических процессах, так и разработкой синтетических металлокомплексных катализаторов и систем, необходимых для химикотехнологических процессов, не имеющих природных аналогов:
Рисунок 1. Металлокомплексный катализ. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 2. Металлокомплексный катализ. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рисунок 3. Металлокомплексный катализ. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Примеры химических процессов с участием металлокомплексных катализаторов
Рассмотрим примеры химических процессов с участием металлокомплексных катализаторов.
Катализаторами могут быть как классические вернеровские координационные соединения, так и соединения неионного характера с центральным атомом в низкой или нулевой степени. Часто такие комплексы-катализаторы содержат связи металл—углерод и потому называются металлорганическими координационными соединениями. Наиболее распространенные координационные соединения, используемые в качестве катализаторов, — это карбонилы, карбо- нилгидриды, соединения металлов с алкил- и арилфосфинами, металлоцены. Вместе с тем, координационная сфера металлокомплексных катализаторов может быть смешанной, ионно-ковалентной, в нее одновременно могут входить алкилы, арилы, $\pi$-лиганды и галогенид-ионы. В металлокомплексном катализе применяются и такие невернеровские координационные соединения, как комплексы с макроциютическими, полициклическими и полимерными лигандами, кластерные соединения. Потребности в металлокомплексных катализаторах благоприятствуют развитию химии координационных соединений тяжелых переходных металлов V и VI периодов, на базе которых созданы эффективные каталитические системы.
Таким образом, становление и развитие металлокомплексного катализа основывается на современной координационной химии металлов и благоприятствует развитию ее определенных направлений.
Поиск новых каталитических систем и их применение требует использования всех достижений теории кинетики химических реакций и катализа. Металлокомплексные катализаторы используют как для гомогенного катализа, так и гетерогенного. Сегодня широко применяют также «промежуточные» системы, такие как гетерогенизированный гомогенный катализ, технически реализующиеся в виде иммобилизированных, импрегнированных, адсорбированных на твердых носителях активных координационных соединений. Благодаря этим приемам избавляются от одного из наиактуальнейших недостатков гомогенных промышленных катализаторов — трудности отделения катализатора от продуктов реакции.
Другим примером «промежуточных» вариантов является межфазный катализ, являющийся также областью современной химии — мембраноподобной химии.
Металлокомплексный катализ в крупнотоннажном промышленном органическом синтезе
Металлокомплексный катализ широко применяется в крупнотоннажном промышленном органическом синтезе. Для дизайна металлокомплексных катализаторов необходимо детальное изучение как свойств координационных соединений металлов (вернеровских и новых, невернеровских), так и механизма органических реакций.
Интенсивно разрабатываются научные проблемы, связанные с технологией неорганических веществ. В частности, наиболее энергоемким процессом всей химической промышленности является синтез аммиака — единственный на сегодня промышленный способ фиксации азота. Следует отметить, что в природе фиксация азота происходит с помощью ферментативного катализа в условиях температуры и давления окружающей среды. Поиск каталитических систем на основе координационных соединений для мягкой (температура и давление окружающей среды) фиксации азота ведутся интенсивно во многих лабораториях мира, и уже есть положительные примеры решения этой проблемы.
Другая актуальная проблема — каталитическое доокисление $SO_2$, $NO$, $NO_2$, $CO$, а также поиск реакций превращения $CO_2$ в необходимые промышленные продукты. Эти газообразные вещества являются вредными токсичными отходами топливно-энергетической и химической промышленностей и одновременно могут быть сырьем для химической промышленности. Поэтому утилизация этих веществ могла бы дать большой экологический и экономический эффекты.
Чрезвычайно интенсивно исследуются фотоэлектрокаталитические системы, в которых используется энергия солнца для выделения водорода из воды как альтернативного экологически безопасного топлива.
