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Tutorial MenueHomogene KatalyseLerneinheit 1 von 12

Einführung in die homogene Katalyse

Homogene vs. heterogene Katalyse

Definition
Es wird zwischen homogener und heterogener Katalyse unterschieden, je nachdem, ob Katalysator und Reaktanten in der gleichen Phase vorliegen oder nicht.

Heterogene Katalyse

Typisch für heterogene Katalysen sind gasförmige Edukte und feste Katalysatoren, die - insbesondere in der Technik - auch als Kontakte bezeichnet werden. Die Katalyse findet an der (äußeren und/oder inneren) Oberfläche des Katalysators statt, woher auch die Bezeichnungen Oberflächenkatalyse und Kontaktkatalyse stammen. Von Bedeutung für den gesamten Reaktionsablauf sind Diffusionsprozesse sowie Adsorptions- und Desorptionsvorgänge der Reaktanten und Produkte. Typische Reaktionstemperaturen sind 200-600 °C. Vielfach werden die Reaktionen unter hohen Drücken ausgeführt (siehe Ablauf der Heterogenen Katalyse).

Homogene Katalyse

Typisch für homogene Katalysen ist, dass die Reaktanten und der Katalysator in Lösung vorliegen und die Reaktionstemperaturen relativ niedrig sind (20-150 °C). Oftmals sind homogene Katalysatoren ausgesprochen oxidations- und/oder hydrolyseempfindlich, so dass streng unter anaeroben Bedingungen gearbeitet werden muss. Die meisten metallorganischen Komplexkatalysatoren sind Übergangsmetallverbindungen mit definierter Struktur und Stöchiometrie.Bei gut untersuchten Prozessen lässt sich der Reaktionsablauf auf molekularer Basis (nahezu) vollständig verstehen, was Grundlage für eine gezielte Entwicklung von Katalysatoren nach Maß ist. Typischerweise ist das Reaktionszentrum ein Metallatom (-ion), an dem auch Liganden koordiniert sind, die nicht direkt an der Katalyse beteiligt sind (spectator ligands, control ligands). Variationen dieser Liganden unter dem Gesichtspunkt, gezielt die elektronischen und/oder sterischen Verhältnisse am Reaktionszentrum zu beeinflussen (ligand tuning), sind Grundlage für Katalysatoroptimierungen hinsichtlich Aktivität, Selektivität und Stabilität.

Es gibt Grenzfälle zwischen homogener und heterogener Katalyse. Der bekannteste ist der klassische Ziegler-Katalysator (TiCl4/AlEt3), der Ethen in einem aliphatischen Kohlenwasserstoff bei Normaldruck und Raumtemperatur mit hoher Geschwindigkeit polymerisiert. Heute wissen wir, dass zunächst TiCl3 gebildet wird, welches in dem Aliphaten unlöslich ist. Die Katalyse vollzieht sich an der durch den Cokatalysator chemisch modifizierten Oberfläche von TiCl3. Die Reaktionsbedingungen sind typisch für homogen katalysierte Verfahren, die Elementarschritte können im Prinzip auf molekularer Basis verstanden werden, und es gibt analoge Katalysatoren, die in homogener Lösung arbeiten. Das rechtfertigt, derartige Verfahren der homogenen Katalyse zuzurechnen.

Der wohl entscheidende Vorteil von homogen katalysierten Verfahren ist das prinzipielle mechanistische Verständnis als Grundlage für eine gezielte Katalysatorentwicklung und -optimierung. Dem steht als wohl entscheidender Nachteil eine z.T. teure und aufwendige Katalysatorabtrennung gegenüber. Entwicklungen wie die Immobilisierung von homogenen Katalysatoren auf festen Trägern und die Zweiphasenkatalyse tragen dem Bestreben Rechnung, in diesem Aspekt die Vorteile der homogenen Katalyse mit denen der heterogenen Katalyse zu kombinieren.

Fazit

Sowohl homogene als auch heterogene Katalysatoren sind technisch wichtig und werden technisch wichtig bleiben.

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