Гомогенный катализ. Ферментативный катализ.
Катализ является основным средством осуществления химических превращений в природе и в практической деятельности человека. Современные процессы производства аммиака, азотной кислоты и азотных удобрений основываются на использовании каталитических реакций. Ежегодное производство этих продуктов достигает нескольких десятков миллионов тонн. В области нефтепереработки каталитические процессы за последние 50 лет привели к техническому перевороту в этой области, существенно повысив выход моторного топлива и других ценных продуктов из нефти и резко улучшив их качество. Мощность основных каталитических процессов нефтепереработки — крекинга, гидроочистки, риформинга, гидрокрекинга, изомеризации — достигает сотен миллионов тонн. На применении катализаторов основаны все процессы нефтехимии, в том числе получение всех мономеров для производства синтетического каучука и других эластомеров, синтетических волокон и многих других полимерных материалов. В последние годы катализаторы нашли применение и для осуществления полимеризации, особенно стереоспе-цифичной. Катализ получил широкое применение и в других отраслях промышленности для осуществления химических превращений. Каталитическое действие является основой жизнедеятельности в природе. Все химические превращения в организмах инициируются особыми катализаторами — ферментами.
Катализ можно определить как возбуждение химических реакций или изменение их скорости под влиянием веществ-катализаторов, многократно вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливающих после каждого цикла промежуточного взаимодействия свой химический состав. Влияние катализатора на скорость химической реакции объясняется участием катализатора в образовании активированного комплекса, по крайней мере на одной из стадий реакции. Это позволяет дать более глубокое определение понятия катализатор. Катализатором называют вещество, изменяющее скорость химической реакции участием в образовании активированного комплекса одной или нескольких стадий химического превращения и не входящее в состав конечных продуктов (Г. К. Боресков). Если катализатором служит твердое вещество, то обычно наблюдается постепенное изменение структуры катализатора, а иногда и его состава в результате взаимодействия с примесями или даже с основными компонентами реакционной смеси. Характерно для катализа то, что все эти изменения представляют собой побочные процессы, не обусловливающие каталитического действия. Катализатор не влияет на константу равновесия химической реакции. Для доказательства этого утверждения рассмотрим реакцию, в которой исходные вещества и продукты находятся в стандартном состоянии. Проведем реакцию без катализатора и с катализатором. Стандартное изменение энергии Гиббса в обоих случаях будет одинаковым, так как она является функцией состояния. Поэтому и константа равновесия, которая связана со стандартным изменением энергии Гиббса уравнением AG°=-RTlnK°, в присутствии катализатора не изменится. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (в растворе или в смеси газов). В гомогенном катализе выделяют еще ферментативный катализ. Ферменты — это вещества белковой природы, которые каталитически регулируют процессы жизнедеятельности в живой природе. При гетерогенном катализе катализатор находится в другой фазе и химическая реакция протекает на границе фаз. Наибольшее практическое значение имеют каталитические реакции, когда катализатор находится в твердой фазе, а реагенты — в жидкой или газообразной. В присутствии катализатора реакции ускоряются, т. е. увеличивается константа скорости реакции. Очень высокой специфичностью (селективностью) обладают природные гомогенные катализаторы — ферменты. Это специальные белковые молекулы, в которых имеются полости и несколько активных центров, благодаря чему взаимодействующие молекулы строго ориентируются в пространстве относительно друг друга и активных центров фермента. В состав большинства ферментов входят металлы переменной валентности. Поэтому ферменты можно формально относить к гомогенным ме-таллокомплексным катализаторам. Ферменты осуществляют многие реакции в очень «мягких» условиях, которые недоступны для синтетических катализаторов. Например, белки быстро гидролизуются при рН 7 под действием гидролитических ферментов (называемых протеазами). Под действием других ферментов азот соединяется с водородом при комнатной температуре и атмосферном давлении (0,1 МПа), в то время как на синтетических неорганических (гетерогенных) катализаторах для этого требуются высокие температуры (700 — 800 К) и высокие давления (несколько десятков мегапаскалей). Все процессы жизнедеятельности в живой природе регулируются специальными ферментами.