Какой катализатор лучший?

Катализ - выдающееся химическое явление, благодаря которому увеличивается скорость химической реакции при использовании лишь небольшого количества дополнительного вещества, катализатора. Влияние катализа на наш мир примечательно: около 90% всех серийно выпускаемых продуктов включают химические вещества, полученные в ходе каталитического превращения на каком-либо этапе производства. Что бы ни окружало нас в нашей повседневной жизни - все это произведено с помощью химического катализа - материалы, красители, текстиль, топливо, бумага, устройства, детали автомобилей и самолетов, ..., еда, лекарства, косметика и многое другое.

Благодаря тому, что лишь небольшое количество катализатора необходимо, чтобы запустить процесс образования химических веществ, каталитический процесс может быть настроен на высокую экономическую эффективность. Так, полимеризация является отличным примером каталитической эффективности. Выпускаемая продукция - полиэтилен, пластмасса и т.д. - производится в масштабе миллионов тонн ежегодно и потребляется во всех странах. Еще один аспект катализа хорошо отражен в производстве фармацевтических и лекарственных препаратов. Эти уникальные химические вещества производятся в гораздо меньших масштабах, однако требуют исключительного структурного разнообразия. Фармацевтика – это та область, где выдающийся потенциал катализа активно изучается в настоящее время.

Такое увеличение роста промышленного производства требует разработки все большего количества катализаторов. Цена металлических катализаторов значительно увеличилась, и использование даже крошечного количества катализатора в крупнотоннажном производстве теперь приводит к существенным затратам. Например, цена палладия, широко применяемого в качестве катализатора, выросла более чем в 4 раза за последние 6 лет. Производство перспективных катализаторов является основной областью потребления палладия.

В настоящее время тенденция явно смещается в сторону замены дорогих металлов более дешевыми аналогами. Краткое сравнение цен катализаторов показывает, что такой простой металл как никель превосходит по своим свойствам Pd, Pt, Au, Rh (рисунок 1). На данный момент эти благородные металлы используются повсеместно в каталитических превращениях.

Рисунок 1. Оценка стоимости Ni, Pd, Pt, Au и Rh как предшественников катализаторов.

Возникает вопрос: возможно ли заменить благородные металлы на никель в каталитических реакциях? На первый взгляд, цель труднодостижима. Каждый металл характеризуется уникальным набором физических и химических свойств, которые делают возможным конкретное каталитическое превращение. Замена одного содержащего металл катализатора на другой – сложная задача.

Особый интерес представляет высказывание о никеле в качестве катализатора, сделанное около века назад знаменитым химиком, лауреатом Нобелевской премии, Полем Сабатье: "Его можно сравнить с лихим конем, своенравным и трудно управляемым, с которым невозможно спокойно работать" (Sabatier, P. Catalysis in Organic Chemistry, NY, 1922, p. 15.). Как мы видим, это не простая задача, а вековая дилемма. Могут ли химики заставить никель сделать нужную синтетическую работу? Хотя на рынке есть много успешных никелевые катализаторов, этот металл до сих пор не покорился исследователям.

Рисунок 2. Исследования механизмов каталитических реакций свидетельствуют, что дешевые и легко доступные соединения никеля могут быть гораздо более химически активными по сравнению с дорогими соединениями палладия и платины. Химики изучают возможности, как использовать это преимущество на практике.

После многочисленных неудачных попыток найти применение для никеля в качестве катализатора, химикам удалось добиться впечатляющего прогресса в понимании механизмов реакций, катализируемых никелем. Исследование дает возможность понять «дух» металла и воспользоваться его преимуществами.

Статья, опубликованная в журнале ACS Catalysis, освещает текущие достижения в этой области, и подчеркивает, что мы достигли поворотной точки в исследованиях никелевых катализаторов. Как обсуждается в статье, фундаментальные знания о механизмах реакций могут в полной мере раскрыть силу никелевых катализаторов и минимизировать вероятные недостатки в практическом применении (рисунок 2). Ключевые преимущества никелевых катализаторов, обобщенные в статье, включают в себя:

1) Высокая производительность в тех реакциях, где другие металлы были не эффективны;

2) Большая вариативность электронных состояний - Ni (0) / Ni (I) / Ni (II) / Ni (III);

3) Новые реакции и превращения за пределами известных процессов, протекающих на других металлах;

4) Легкая активация и трансформация химически менее активных молекул;

5) Отличные возможности в фотокаталитических и гибридных каталитических циклах.

Появится ли в ближайшее время новый никелевый герой в каталитической семье? Давайте дадим ему некоторое время.

Статья "Nickel: The "Spirited Horse" of Transition Metal Catalysis" (автор Valentine P. Ananikov) опубликована в журнале Catalysis, издаваемом Американским Химическим обществом.

Ссылка на работу: ACS Catal., 2015, 5, pp. 1964 – 1971; DOI: 10.1021/acscatal.5b00072

Онлайн ссылка: http://dx.doi.org/10.1021/acscatal.5b00072