균질 귀금속 촉매의 일반적인 반응 유형
소개
백금, 팔라듐, 로듐, 금과 같은 귀금속은 높은 촉매 활성, 선택성, 안정성으로 인해 일반적으로 균질 촉매로 사용됩니다. 또한 열 안정성과 화학적 불활성이 뛰어나 탁월한 촉매로 알려져 있습니다. 이러한 특성으로 인해 균질 귀금속 촉매는 제약, 석유화학, 화학, 재료 과학 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
이 글에서는 균질 귀금속 촉매의 일반적인 반응 유형에 대해 알아보겠습니다. 이 귀중한 촉매에 대해 더 깊이 이해할 수 있기를 바랍니다.
그림 1. 귀금속 촉매
균질 귀금속 촉매의 일반적인 반응 유형
균질 귀금속 촉매는 다양한 반응에 활용됩니다. 대표적인 예로는 수소화, 하이드로포밀화 반응, 커플 링 반응 등이 있습니다.
--수소화:
수소화: 수소화는 일반적으로 촉매의 도움을 받아 불포화 유기 화합물에 수소를 첨가하는 반응입니다. 백금과 팔라듐과 같은 균질 촉매는 알켄을 알칸으로, 니트로 화합물을 아민으로 전환하는 수소화 반응에 광범위하게 사용됩니다.
그림 2. 효율적인 수소 저장을 위한 금속 촉매 수소화 및 탈수소화 반응 [1] [그림 2.
--탈수소화:
탈수소화는 분자에서 수소가 제거되는 수소화의 반대 개념입니다. 백금과 로듐과 같은 귀금속 촉매는 알칸에서 알켄을, 알코올에서 카르보닐 화합물을 만들기 위해 탈수소화 반응에 사용됩니다.
--산화:
산화 반응에서 분자는 전자를 잃고 균일한 귀금속 촉매를 사용하여 알코올을 알데히드 또는 케톤으로, 알켄을 에폭사이드로 전환합니다. 이러한 산화 반응 중 가장 유명한 반응은 염화물이 포함된 수용액에서 Pd/Cu 촉매를 사용하여 아세트알데히드를 에텐과 산소로부터 합성하는 "Hoechst-Wacker" 공정입니다.
그림 3. 기본 산화 및 환원 [2]
--환원:
환원은 분자가 전자를 얻는 산화의 반대 개념입니다. 이러한 균질 촉매는 일반적으로 니트로 화합물을 아민으로, 카르보닐 화합물을 알코올로 전환하는 환원 반응에 사용됩니다.
--커플링:
결합 반응은 두 개 이상의 분자가 결합하여 더 큰 분자를 형성하는 반응입니다. 팔라듐, 백금 및 기타 촉매는 스즈키 반응과 헥 반응과 같이 탄소-탄소 결합을 형성하는 결합 반응에 적용됩니다.
--카보닐화:
카르보닐화란 일산화탄소(CO)를 사용하여 알데히드, 케톤 등을 형성하는 반응을 말합니다. 가장 잘 알려진 공정은 메탄올을 아세트산으로 탄화시키는 것입니다. 몬산토 공정이라고도 합니다. 이 모든 공정은 로듐 촉매 없이는 달성할 수 없습니다.
그림 4. 로듐 촉매 메탄올 카르보닐화 반응의 제안된 촉매 주기(몬산토 공정) [3] [3]
--하이드로포밀화:
하이드로포밀화는 옥소 합성이라고도 합니다. 이 공정은 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 혼합하여 알켄을 알데히드로 전환합니다. 이러한 공정에서 로듐 촉매는 이전의 코발트 촉매를 대신합니다.
--이성질체화:
이성질체는 분자가 구조적으로 재배열되는 반응입니다. 백금과 로듐은 이성질화 반응에서 알칸을 분지 알칸으로, 알켄을 이성질체로 전환하는 데 사용되는 대표적인 균질 촉매입니다.
아래 표에서 다양한 반응 유형의 균질 귀금속 촉매를 비교하여 자세히 알아볼 수 있습니다.
표 1. 균질 귀금속 촉매의 다양한 반응 유형
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정의 |
예시 |
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수소화 |
수소 첨가; |
알켄을 알칸으로, 니트로 화합물을 아민으로 전환합니다; |
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탈수소화 |
수소 제거; |
알칸을 알켄으로, 알코올을 카르보닐 화합물로 전환; |
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산화 |
선거 패배; |
알코올을 알데히드 또는 케톤으로, 알켄을 에폭사이드로 전환하는 것; |
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환원 |
전자를 얻습니다; |
니트로 화합물을 아민으로, 카르보닐 화합물을 알코올로 전환; |
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결합 |
두 개 이상의 분자가 결합하여 더 큰 분자를 형성하는 것; |
스즈키 반응과 헥 반응; |
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카르보닐화 |
일산화탄소(CO)를 사용하여 알데히드와 케톤을 형성하는 것; |
몬산토 프로세스; |
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하이드로포밀화 |
일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 사용하여 알켄을 알데히드로 전환; |
로듐 촉매 사용 |
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이성질체화 |
구조 배열; |
알칸을 분지 알칸으로, 알켄을 이성질체로 변환합니다; |
결론
한마디로, 균질 귀금속 촉매는 수소화, 탈수소화, 산화, 환원, 결합, 카르보닐화, 하이드로포밀화, 이성질화 등 다양한 화학 반응에 널리 사용됩니다. 높은 촉매 활성, 선택성 및 안정성으로 인해 제약, 석유화학 및 정밀 화학 산업의 화학자들에게 매우 유용한 도구입니다. 과학자들은 균질 귀금속 촉매의 일반적인 반응 유형을 이해함으로써 보다 효율적이고 지속 가능한 화학 공정을 개발할 수 있습니다.
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참조:
[1] 심바야시, 타쿠야 & 후지타, 켄이치. (2020). 효율적인 수소 저장을 위한 금속 촉매 수소화 및 탈수소화 반응. 테트라헤드론. 76. 130946. 10.1016/j.tet.2020.130946.
[2] 아즈만, 누르 & 람리, 무하마드 & 이사, 시티. (2019). 가스 센서 응용을 위한 탄소 나노튜브의 그래핀 하이브리드화 검토. IOP 컨퍼런스 시리즈: 재료 과학 및 공학. 551. 012017. 10.1088/1757-899X/551/1/012017.
[3] Budiman, Anatta & Nam, Ji & Park, Jae & Mukti, Ryan & Chang, Tae & 배종욱 & Choi, Myoung (2016). 다양한 촉매 공정을 통한 다양한 공급 원료로부터의 아세트산 합성 검토. 아시아의 촉매 조사. 20. 10.1007/s10563-016-9215-9.
