Кислoтно-оснoвный катализ

КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЙ КАТАЛИЗ, ускорение химических реакций в присутствии кислот или оснований - соответственно кислотных или основных катализаторов. Различают кислотно-основной анализ гомогенный (катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе) и гетерогенный (катализатор образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы реагирующего вещества).

Ускорение химических реакций в присутствии кислотно-основных катализаторов связывают с промежуточным взаимодействием кислоты или основания (в случае гетерогенных катализаторов - находящихся на поверхности катализаторов центров различной кислотной или основной силы) с реагентами, в результате которого реализуется новый реакционный путь, характеризующийся, как правило, большим количеством стадий, но меньшей энергией активации. Так, в гомогенном кислотном катализе в присутствии протонных кислот (смотри Кислоты и основания) одностадийная реакция В→С становится трёхстадийной: В + Н⁺—*- →ВН⁺→СН⁺→С + Н⁺. На первой стадии происходит перенос протона от катализатора к реагирующему веществу, образующаяся при этом протонированная форма ВН⁺ обладает более высокой реакционной способностью, чем реагент В. На заключительной стадии происходит отщепление протона от продукта реакции и регенерация катализатора. В случае апротонных кислот (кислот Льюиса) взаимодействие осуществляется путём присоединения свободной пары электронов реагирующего вещества к акцепторному центру катализатора. Подобный механизм характерен и для катализа основаниями (смотри, например, в статье Гомогенный катализ). В гетерогенном кислотно-основном катализе образование ионных промежуточных структур энергетически невыгодно и более предпочтительными считаются синхронные механизмы, в которых протонирование и отрыв протона происходят одновременно на бифункциональных (кислотно-основных) центрах катализатора.

Наиболее широкое практическое применение получил кислотный гетерогенный катализ. На его использовании основано большинство процессов нефтехимии и нефтепереработки (каталитический крекинг и гидрокрекинг, изомеризация алканов и алкенов, олигомеризация алкенов, алкилирование ароматических углеводородов и др.). К типичным катализаторам таких процессов относятся аморфные и кристаллические алюмосиликаты (цеолиты), природные глины, фосфорная и полифосфорные кислоты, нанесённые на носитель, катиониты. Примерами промышленного использования гомогенного кислотного катализа являются процессы алкилирования изоалканов алкенами и гидратации алкенов. В качестве кислотных катализаторов гомогенных процессов применяют протонные кислоты (H₂SO₄, HCl, Н₃РO₄ и др.) в водных и водно-органических растворителях, сверхкислоты (например, смесь HF и SbF₅, смесь HSO₃F и SbF₅) и апротонные кислоты (А1С1₃, BF₃, SnCl₄ и др.) в неводных растворителях. Катализаторы основного характера (растворимые основания, твёрдые оксиды металлов CaO, MgO и др.) применяются значительно реже.

Лит.: Танабе К. Твердые кислоты и основания. М., 1973; Винник М. И. Механизм кислотного анализа в растворах // Кинетика и катализ. 1980. Т. 21. Вып. 1; Казанский В. Б. Современные представления о механизме гетерогенного кислотного катализа // Там же. 1987. Т. 28. Вып. 1; Tanabe К., Holderich W. F. Industrial application of solid acid-base catalysts // Applied Catalysis. 1999. Vol. 181. №2; Крылов О. В. Гетерогенный катализ. М., 2004.