Проблема выбора катализатора и возможные пути ее решения

Поиск новых катализаторов для известных реакций и катализаторов для проведения новых реакций до настоящего времени является серьезной проблемой. Исторически эту проблему решали эмпирическим путем методом проб и ошибок, перебирая и испытывая в качестве катализатора имевшиеся в распоряжении исследователя вещества. Все теории катализа, часть из которых кратко описана выше, пытались найти подходы к теоретическому решению этой проблемы. В полной мере это не удалось до настоящего времени, тем не менее, накопленные знания о механизме действия катализаторов различного типа позволяют подойти к решению этого вопроса в теоретическом плане. Можно выделить три различных подхода к решению этой проблемы, различающихся долей используемых эмпирических и теоретических методов.

2.3.1 Эмпирический подход.

К настоящему времени накоплен огромный эмпирический объем информации о каталитических свойствах веществ различных классов в разнообразных реакциях и условиях. Обобщением этой информации являются классификации катализаторов, часть из которых приведена выше. Любое исследование, направленное на поиск катализаторов, должно использовать эту информацию. Хотя, количество веществ, которые потенциально могут быть катализаторами данной реакции, очень велико, при использовании автоматизированных установок по испытаниям каталитической активности в прошлом веке удалось существенно увеличить показатели ряда каталитических процессов, варьируя состав и методики приготовления катализаторов. Например, селективность процесса окислительного аммонолиза пропилена удалось увеличить с ~50% до ~90% к концу двадцатого века.

В настоящее время эмпирический подход получил развитие в виде методик комбинаторного катализа. Разработаны методики, позволяющие интенсифицировать испытания каталитической активности потенциальных катализаторов в реакциях различного типа за счет одновременного испытания большого количества образцов. Чувствительные датчики (например, использующие инфракрасное излучение) позволяют быстро определить образцы, проявляющие высокую активность. Этот подход может обеспечить решение практической задачи, но мало способствует накоплению знаний о механизме функционирования катализаторов.

2.3.2 Полуэмпирический метод.

Этот подход основан на использовании информации о возможных механизмах реализации целевой реакции, т.е. последовательностях стадий превращения исходных реагентов в целевые продукты. Последовательности стадий могут быть сформулированы на основе литературных данных или с помощью специальных компьютерных программ (см. пособие Брука Л.Г. и др. «Методы выдвижения гипотез о механизмах сложных реакций». М.: МИТХТ, 1999). Исходя из специфики стадий, которые необходимо реализовать для получения целевого продукта из реагентов, подбирают компоненты каталитической системы. При этом пользуются информацией о существовании первичных комплексов реагентов с металлами, оксидами, комплексами металлов, кислотами и т.д., информацией о возможности реализации стадий процесса с участием различных веществ. Выбранные таким образом каталитические системы необходимо подвергнуть экспериментальной проверке для оптимизации состава каталитических систем, выбора лигандов и растворителей, сравнения и выбора лучшего катализатора.

2.3.3 Теоретический подход.

Этот подход предполагает выдвижение гипотез о механизме теоретическими (формальными) методами и расчет всего пути реакции для каждой гипотезы (вычисление предэкспоненциальных множителей и энергий активации для всех элементарных стадий, входящих в данную гипотезу) с участием возможных катализаторов, методами квантовой механики и квантовой химии. На основе результатов делают обоснованный выбор катализатора. Этот подход интенсивно развивается в последнее время, весьма перспективен, но пока слишком трудоемок для получения конкретных результатов в случае сложных реальных процессов и каталитических систем.

Наиболее трудно предсказуемым объектом качественного и количественного описания является влияние носителя и модифицирующих добавок в гетерогенном катализе и эффект лигандов и растворителей в гомогенном катализе. Эти нерешенные в общем плане вопросы определяют довольно высокую долю эмпирических методов в практическом выборе катализаторов.