Гетерогенные катализаторы и их носители

Для проведения реакции гидрирования используют широкий набор катализаторов. Достаточно активными являются металлы группы платины: платина, палладий, родий и рутений. В качестве экономичных альтернатив предложены недрагоценные металлы: никель, медь, молибден и кобальт. Данные металлы обладают способностью сорбировать одновременно субстрат и водород, облегчая реакцию между ними.

Катализаторы гидрирования делятся на две группы: гетерогенные катализаторы, являющиеся твёрдыми веществами и образующие отдельную фазу в жидкой реакционной смеси и гомогенные катализаторы, растворяющиеся в жидкой среде.

На активность катализаторов большое влияние оказывает присутствие посторонних примесей, которые могут увеличить, уменьшить скорость гидрирования или даже полностью его остановить. Например, всего 0,2% примеси палладия на платиновом катализаторе с угольной подложкой дезактивирует этот катализатор.

Самыми сильными ингибиторами благородных металлов являются сера и большинство серосодержащих соединений. За исключением отдельных случаев (например, использования катализатора Линдлара) их присутствие в реакционной смеси весьма нежелательно. Удаление их из среды можно провести под действием никеля Ренея, который связывает серу в виде сульфида никеля. Встряхивание или перемешивание реакционной смеси с этим катализатором делает возможным дальнейшее гидрирование в присутствии благородных металлов. Многие нуклеофилы (меркаптаны, сульфиды, цианиды, иодиды) выступают как ингибиторы по отношению к платине и палладию.

В реакциях гидрирования применяются также катализаторы на основе оксидов меди, цинка и хрома, однако их использование ограниченно, поскольку они требуют высоких температур (150—200°C) и давления (100—150 атм.). То же самое касается рениевых катализаторов. Поэтому мы рассмотрим наиболее популярные и часто используемые.

Химическая природа носителей влияет на активность и селективность катализаторов гидрирования. Природа носителя, в основном, сказывается на размере кристаллитов и адсорбционной теплоте, таким образом оказывая влияние на параметры реакции. Существуют и иные данные, согласно которым при одинаковой дисперсности и селективности на реакцию оказывает действие кислотность носителя. В зависимости от дифференциальной кислотности носителя, то есть от соотношения бренстендовских и льюисовских центров, формируются катализаторы, которые проявляют различную активность и селективность. Кислотная функция носителя контролирует формирование активной поверхности металла. Также структура носителя влияет на степень восстановления металла. Например, на носителе Al₂O₃ с меньшим размером пор средний размер частиц металла и количество водорода, поглощаемого в низкотемпературной области, больше.

Таким образом, подбирая тип и пористую структуру носителя, можно управлять образованием предшественников и активных центров, степенью восстановления металла и, следовательно, активностью и селективностью катализатора, а также регулировать термостабильность, физико-химические и каталитические свойства пропиточных катализаторов.