第4章:催化剂的结构(下)
第四章 催化剂

一种催化剂只能选择性地加速某一或某些特定的化学反应, 意即同一催化剂对于不同的反应具有不同的催化活性,称 催化剂选择性。利用催化剂对反应的选择性来控制原料的 化学转变方向,在化学工业中有重要意义。 在可逆反应中,对于正、逆反应的速度,催化剂是以同样 的倍率产生影响的。所以催化剂虽然能加速化学反应, 但它不能改变化学平衡常数,只能影响反应向平衡状态推 进的速度。例如铂、钯催化剂可使苯加氢转变为环己烷, 但在有利于脱氢反应的热力学条件下,它们亦可使环己烷 脱氢成苯。
Ⅱ、线缺陷(一维缺陷)——位错
指晶体中某处有一列原子发生有规 律的错排现象称为位错(dislocation)。
分类
刃型位错(Edge Dislocation) 螺旋位错(Screw Dislocation)
Ⅲ、面缺陷(二维缺陷)——晶 界和亚晶界
面缺陷( Planar Defect )又称为二 维缺陷,是指在二维方向上偏离理想晶体 中的周期性、规则性排列而产生的缺陷, 即缺陷尺寸在二维方向上延伸,在第三维 方向上很小。金属晶体中的面缺陷主要有 晶界和亚晶界。
②原子个数比表示法
3.
性能参数 ①比表面积(用BET公式测定);
②密度; ③孔结构参数(孔隙率、比孔容、平均孔径); ④机械强度 ⑤气体流通性--压力降
4.
催化剂作用的基本原理
催化反应过程,尤其是多相催化反应,是一个 复杂的过程,包括了扩散、吸附、表面反应、 脱附、再扩散等步骤。每一步骤又分别涉及到 物理、化学、量子化学、反应工程等基本原理。
5. 几种常用的催化剂载体
① 氧化铝 作为催化剂载体的多用多孔性氧化铝,它 有8种晶型,作为催化剂和载体使用的是γ和η型氧化 铝。
制法:水合氧化铝加热失水;用铝酸钠和硫酸铝中和, 再烧制。 催化活性中心形成:①氧化铝在焙烧中残留有羟基,失 水形成路易斯碱中心;②表面原子的丢失形成空缺或晶 体中的缺陷;③制备过程中带入的微量杂质。
第4章3过渡金属氧化物催化剂及其催化作用

第4章3过渡金属氧化物催化剂及其催化作用过渡金属氧(硫)化物催化剂是一类广泛应用于化学反应中的催化剂。
它们由过渡金属和氧(硫)等原子组成,具有独特的结构和催化性能。
在本文中,我们将重点介绍过渡金属氧(硫)化物催化剂的种类、结构和催化作用,以及其在化学合成和能源转化等领域的应用。
过渡金属氧(硫)化物催化剂主要有负载型和非负载型两种形式。
负载型催化剂是将过渡金属氧(硫)化物负载在二氧化硅、活性炭等载体上,以增加其表面积和催化活性。
非负载型催化剂则是纯粹由过渡金属氧(硫)化物构成的颗粒或薄膜,具有较高的比表面积和催化活性。
这两种形式的催化剂在不同的反应中具有不同的催化机理和催化性能。
过渡金属氧(硫)化物催化剂的结构是其催化性能的关键因素。
大多数过渡金属氧(硫)化物催化剂具有复杂的晶体结构,如层状结构、中空球状结构等。
这些结构可以提供丰富的活性位点,并且具有调节反应中间体吸附和反应通道的能力。
此外,过渡金属氧(硫)化物催化剂还可以通过改变晶体结构或添加协同剂来调节其催化性能,提高催化活性和选择性。
过渡金属氧(硫)化物催化剂在化学反应中具有广泛的应用。
例如,通过调节过渡金属氧(硫)化物催化剂的结构和成分,可以实现氧化反应、氢化反应、催化裂解等各种化学转化。
特别是在有机合成中,过渡金属氧(硫)化物催化剂可以催化氧化还原反应、催化偶联反应、催化环化反应等,为合成高附加值化合物提供了重要的技术手段。
另外,过渡金属氧(硫)化物催化剂还可以催化电化学反应、光化学反应等非常规化学反应,为能源转化和环境保护等领域提供了新的解决方案。
总之,过渡金属氧(硫)化物催化剂是一类重要的催化剂,在化学合成和能源转化等领域具有广泛的应用。
通过调节其结构和成分,可以实现多种化学反应的高效催化。
随着新材料合成和催化机理的深入研究,过渡金属氧(硫)化物催化剂的催化性能有望进一步提高,为社会经济的可持续发展作出更大的贡献。
改.第4章 金属催化剂及其催化作用

多位理论的几何适应性
由计算可以看出: 乙烯在Ni-Ni间距离为0.35l nm晶面上吸附形成的 键造成分子内的张力较大,是一种弱吸附。 在Ni-Ni间距离为0.2489 nm时乙烯吸附较容易,是 一种强吸附。
实验发现,仅有(110)晶面的Ni,比混合晶 面[(110),(100),(111)各占1/3的Ni的活性 大5倍。(110)晶面上Ni原子间距0.351nm的 数目是最多的。
C=0.154 nm
多位理论的几何适应性
反过来以=109o28’倒算出的a=0.273nm, 也就是说在a=0.273nm的晶格上吸附时, 分子内完全没有张力。 于是预测a在0.24nm-0.28nm之间的Re, Ni,Co,Cu,Pt,V,Pd,Mo,W等均可 吸附乙烯,实验证实了这个预言。 几何对应理论从某一方面反映了吸附的 本质。
第4章 金属催化剂及其催化作用
金属
金属催化剂的类型
金属催化剂是一类重要的工业催化剂,主要类型有: 块状金属催化剂:如电解银、熔铁、铂网等催化 剂; 负载型金属催化剂:如Ni/Al2O3,Pd/C等催化剂; 合金催化剂:指活性组分是二种或两种以上金属 原子组成,如Ni-Cu合金加氢催化剂、LaNi5加氢 催化剂; 金属簇状物催化剂:如Fe3(CO)12催化剂等。
一个金属原子缺位,原来的金属原 子跑到金属表面上去了。
弗兰克尔点缺陷
由一个金属原子缺位,和一个间隙原子组 成。
点缺陷引起晶格的畸变
内部缺陷的存在引起晶格的畸变(1)空 位;(2)间隙质点;(3)杂质。
见教材p101 图4-20
4.5 负载型金属催化剂及其催化作用
《工业催化(第3版)》教学课件—04络合催化与聚合催化

• 4.4.4 羰基合成与氢甲酰化
• 4.4.5 甲醇络合羰化合成乙酸
• 这是20世纪70年代工业催化开发中最突出的成就之一。它 使基本有机原料合成工业从石油化工向一碳化工的领域转 化打开了大门。催化剂可用羰基钴,也可用铑的络合物。 以CH3I为促进剂。铑催化剂的反应条件相对来说要温和得 多。温度约175℃,压力为1~12MPa,反应物的转化率 高。总反应式为
• 它们都是亲核的碳烯。引发了新的催化反应。
• (1)缩合反应 Knoevenagel缩合,是一个以哌啶 剂的缩合反应。
• (2)其他类型反应 包括加成反应、酰化反应、开环反 应等。
4.8 聚合催化
图4-8 聚烯烃配位聚 合催化剂的变迁
• 4.8.1 Ziegler-Natta催化剂
• 其组成是由周期表中第Ⅳ类过渡金属的其中之一和第Ⅰ到第 Ⅲ类碱性金属烷基化合物共同组成。后者作为助催剂或称 活化剂,是供过渡金属变成活性中心前先还原和烷基化所 必需的。助催化剂为烷基铝,可以是三甲基铝(TMA)、 三乙基铝(TEA)或者二乙基铝的氯化物(DEAC)。该催 化体系可以是均相、反应介质可溶,也可以是负载型多相 体系。Natta是在Ziegler工作的基础上创建了丙烯 合反应体系。
• NHC能加速化学反应,是一种不含金属原子的逊量有机化 合物,故谓之Organocata-lyst。这类催化剂是 H、O、N、S和P原子组成的小分子。这类分子与金属络合 物相比较具有以下优点:①便宜易得,不像过渡金属消 耗多;②在空气中、水介质中稳定;③反应完成后无需 分离回收;④属环境友好的,不像过渡金属有毒,易污 染环境。
第4章 络合催化与聚合催化
4.1 概述
• 络合催化,是指催化剂在反应过程中对反应物起络合作用 ,并且使之在配位空间进行催化的过程。催化剂可以是溶 解状态,也可以是固态;可以是普通的化合物,也可以是 络合物,包括均相络合催化和非均相络合催化。
中山大学无机化学第4章反应动力学初步习题及答案

第4章 反应动力学初步一、选择题 4-1 利用反应生成产物B ,在动力学上要求 ( )(A) (B) (C) (D)答案: B 4-2 对的反应使用催化剂可以 ( )(A) 大大加速 (B) 减速(C)、皆加速 (D) 无影响答案: C4-3 催化剂能加速反应的速率,它的作用机理是 ( ) (A) 增大碰撞频率 (B) 改变反应途径,降低活化能 (C) 减少速率常数 (D) 增大平衡常数 答案: B4-4 下列有关活化能的叙述不正确的是 ( ) (A) 不同反应具有不同的活化能(B) 同一条件下同一反应的活化能越大,其反应速率越小 (C) 同一反应的活化能越小,其反应速率越小(D) 活化能可以通过实验来测定 答案: C4-5 已知下列两个反应的活化能:(1)(2)在同一温度下,所有反应物浓度为1,下列说法不正确的是 ( ) (A) 反应(1)比反应(2)的速率慢。
(B) (A) 反应(1)比反应(2)的速率快。
(C)受温度的影响较小。
(D) 对于反应(1)与反应(2),当温度变化的始态、终态相同时,反应(2)的反应速率(或速率常数)的改变比反应(1)显著的多。
13 2A B C −−→−−→←−−123a a a E E E >>123a a a E E E <<123a a a E E E >=123a a a E E E =<0r G ∆>v 正v 正v 正v 负42284224243(NH )S O + 3KI (NH )S O + K SO + KI →1-156.7kJ mol a E =⋅2222SO + O 2SO →2-1250.8kJ mol a E =⋅-1mol L ⋅12a a E E 和答案: A 4-6 已知反应 的反应历程是:(1) (快)(2)(慢)此反应的速率方程可能是 ( ) (A) (B)(C) (D)答案:C4-7 下列说法正确的是 ( ) (A) 一个化学反应的越负,在温度T 下,反应的速率就越大。
有机催化导论第四章不对称催化

a) 不对称毒化 1986年由研究小组提出。采用光学活性分子作为毒化剂,通过分子识别使外消旋催化剂中的一种对映异构体,选择性中毒,失去活性,而另一种对映异构体成为催化反应的活性成分,因而生成光学活性产物。 局限性: 产物的光学纯度不可能超过使用光学纯催化剂时所得产物的光学纯度 b) 不对称活化 1997年由K. Mikami在Nature提出。一种外消旋催化剂或者光学纯催化剂可以被另一种手性活化试剂(Chiral activator)通过分子识别对映选择性活化,从而催化反应生成光学活性产物。 不对称毒化和不对称活化概念的提出,为手性催化的设计提供了一条更经济的途征,因为外消旋体催化剂的获得,比光学纯催化剂要容易得多。 优点:活化的催化剂比单独使用光学纯催化剂,可催化产生更高对映体过量的产物。
以15%ee(-)DAIB可以得到95%ee手性产物,表现出明显的不对称放大作用
例:烷基锌与苯甲醛的加成反应
不对称自催化(asymmetric auto-catalysis)
产物本身作为手性催化剂促进反应,完成产物的转化。 在不对称自催化反应中,手性催化剂和产物是相同的,反应后,无需分离产物和催化剂 例:2-烷基-5-甲醛基-嘧啶催化还原为嘧啶基烷醇
4.2.4 手性碳含N ,O,S等杂原子配体 ⅰ)氮,膦手性配体: 结构特点:含手性碳,配位原子为N(P)和P原子,分子含N,P原子 ⅱ)氮,氮手性配体: 结构特点:含手性碳,配位原子为N和N原子,分子含氮双齿配体
4.2.5 C2对称性配体
结构特点: SP2杂化成键的芳香环骨架,与脂肪族相比具有较高的稳定性 有卓越的空间效应 配位后生成七元环具有较大的刚性和高度扭曲构象
第4章 工业催化剂的制备、成型与使用

举例
沉淀法 水合氧化物,如氢氧化铁等的制备
浸渍法 混合法
贵金属负载到金属氧化物载体Al2O3 或 SiO2 等载体上
氧化铁-氧化铬CO 变换催化剂的制备
熔融法 合成氨的铁催化剂的制备
沥滤法 瑞尼镍催化剂的制备
… ……
10
§1 沉淀法制备工业催化剂
沉淀法是借助沉淀反应,用沉淀剂(如碱类物质) 将可溶性的催化剂组分(金属盐类的水溶液)转化为 难溶化合物,再经过滤、洗涤、干燥、焙烧、成型 等工序制得成品催化剂。
老化阶段的变化 ① 细晶体逐渐溶解,并沉积到粗晶体上,……, 获得颗粒大小较为均一的粗晶体 ② 孔隙结构和表面积发生变化,原来吸留在细晶 体之中的杂质随溶解过程转入溶液 ③ 初生的非稳定结构的晶体,会逐渐变成稳定的 结构
37
五、沉淀物的过滤、洗涤、 干燥、焙烧、成型和还原操作
1. 过滤与洗涤
悬浮液的过滤,可使沉淀物与水分开,同时除 去NO3-、SO42-、Cl-、K+、Na+、NH4+等离子。
一、沉淀过程和沉淀剂的选择
沉淀产生的条件 ——形成沉淀物的离子浓度积大于该条件下的
浓度积Ksp 沉淀物的形成过程,包括两方面: 1) 晶核的生成,-- 形成沉淀物的离子相互碰撞生 成沉淀的晶核 2) 晶核的长大,-- 溶质分子在溶液中扩散到晶核 表面,晶核继续长大成为晶体
19
图 难溶沉淀的生成速率示意组图
4.浸渍沉淀法 盐溶液浸渍操作完成后,再加沉淀剂,
而使待沉淀组份沉积在载体上。
沉淀法分类
6.超均匀共沉淀法
将沉淀操作分成两步进行,先制成盐溶液的悬 浮层,并将这些悬浮层立即瞬间混合成为超饱和 的均匀溶液;然后由超饱和的均匀溶液得到超均 匀的沉淀物。
金属催化剂简介

第三十九页,共七十页。
4.5.4 溢流现象
第四十页,共七十页。
水
第四十一页,共七十页。
溢流现象阻滞负载金属离子的还原
例,在氢氛中,非负载的NiO粉末,可在673K下 完全还原成金属,而分散在SiO2或A12O3载体上 的NiO,还原就困难多了。
第一页,共七十页。
基本要求:
1.了解金属催化剂的能带理论、价键理论。 2.了解多位吸附模型。
3.掌握金属催化剂的特征和金属催化剂催化活性的经
验规则。
4.掌握金属催化剂上的反应。
第二页,共七十页。
4.1 金属催化剂的应用及其特性
4.1.1应用
第三页,共七十页。
金属催化剂的主要反应类型
第四页,共七十页。
第二十八页,共七十页。
第二十九页,共七十页。
反应热:
第三十页,共七十页。
好的催化剂应该是反应物在催化剂活性中心上的吸附不
要太强也不要太弱,要求E1=E2,即q=s/2的催化剂最 好,应该根据这样的q选择催化剂,但是q数据不 易获得。
第三十一页,共七十页。
4.5 负载型金属催化剂及其催化作用
4.5.1 金属分散度与催化活性的关系
第五页,共七十页。
4.1.2 金属催化剂的类型
块状金属催化剂,如电解银、熔铁、铂网等;
负载型金属催化剂,如Ni/Al2O3加氢催化剂; 合金催化剂:活性组分是两种或两种以上金属原
子组成,如Ni-Cu合金加氢催化剂.LaNi5加氢催 化剂等。
第六页,共七十页。
4.1.3 特性(重点)
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OH
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Sharpless环氧化
R1
Ti(O-i-C3H7)4 + (CH3)3COOH
OH R3 C2H5OOC OH C2H5OOC OH
R1
*
R2
R2
O
*
OH
R3
Sharpless环氧化似乎证明,严格C2对称性的配体也不是必需的,起码对 于加氢和氢甲酰化以外的反应来说。 O
Catalyst TiCl3 TiCl3 MgCl2/TiCl4 MgCl2/TiCl4 MgCl2/TiCl4 Year 1954 1971 1975 1981 1998 Yield(kg/g) 4 16 325 1300 5000 Isotacticity(%) 92 96 92 96 98
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6 5
N N N CO NHC(CH 3 ) 3
OH
CH 2 H C O N
OH
Indinavir, a protease inhibitor currently marketed by Merck and Co., Inc., as CRIXIVAN, an anti-HIV drug
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Olefin Metathesis
JACS, 119(1997)3891
最成功的是Grubbs的Ru卡宾络合物系列
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6.4 Olefin Metathesis
Macromol. Chem. 141(1970)161
其后,各种金属中心(V, Ta, Mo, W, Ru, Os)被广 泛试探过(R H Schrock)
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6.4 Olefin Metathesis
6.1 Wilkinson Catalyst
1965年,Wilkinson在制取RhCl3(PPh3)3 时, 得到了 RhCl(PPh3)3 ,后人一直称其为Wilkinson催 化剂,一个烯烃加氢制烷烃的催化剂:
PPh3 | Cl - Rh+1-PPh3 | PPh3
→ 14-16e规则
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O I
H
OH
G
H
J
H O H CHO
H
Taxol
Nicolaou, K.C.; Yang, Z.; Liu, J.-J.; Ueno, H.; Nantermet, P.G.; Guy, R.K.; Claiborne, C.F.; Renaud, J.; Couladouros, E.A.; Paulvannan, K.; Sorensen, E.J.
Nature 1994, 367, 630
获得手性物质的途径
“source” of chirality in products process product
resolution
Racemic product mixture
transformation
Chiral building blocks
Chirality multiplication: Asymmetric catalysis
6. 络合催化剂
Wilkinson开创了络合催化的新时代。 Wilkinson的贡献不仅在于建立了高效的均相 催化体系,发现了络合催化剂设计的结构规 律,Wilkinson所创立的研究方法,所采用的 有机膦配体等都直接影响了其后几十年的研 究与工业开发。
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Chiral catalyst
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手性选择性
常用对映体过量百分数表示 %e.e. = ×100%
[R] + [S] [R] − [S]
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催化剂的结构(下)
寇 元
北京大学 化学与分子工程学院
6. 络合催化剂
就催化剂的催化本质而言,似可将催化 剂分为三类:分子筛催化剂,纳米催化 剂,和分子配合物催化剂 络合催化剂的结构特征就在于每一个金 属原子/离子都发挥相同的催化效力 注意:三者各有神奇之处
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水溶性氮配体
Science 287, 1636, 2000
水溶性配体的昂贵价格制约了其应用
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Ziegler-Natta Catalyst
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Ziegler-Natta Catalyst
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6.4 Olefin Metathesis
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两相化原理
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水溶性膦配体:
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烯烃的双键断裂重新组成新的烯烃
早期的反应是在Ziegler-Natta催化剂上实现的
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6.4 Olefin Metathesis
由降冰片烯制合成橡胶
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OCH3
COOH
*
R
NHCOCH 3
NHCOCH 3
L-Dopa,Monsando 80年代初
P
P
OCH3 (R,R)-DIPAMP-phosphorus chirality
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寻找BINAP
Ar2 P P Ar2 (S)-BINAP-axial chirality
6.5 络合催化剂概论
络合催化剂的金属中心一般是单核的, 少部分有 双核的, 没有多核的. 值得注意的是, 尽管双核异 核络合物并不少见, 但用作催化剂却不见报道, 这 与担载催化剂相比有明显差别. 络合催化剂金属中心的三维立体-多位络合决定 了 络 合 催 化 剂 不 仅 会 有 chemo- 和 stereoselectivity, 而且会有enantio-selectivity, 因此络 合催化体系专一性高, 是高选择性催化体系. 络合催化剂的主要缺点是分离繁琐, 不易为工业 采用. 改进的办法: 1. 两相化 (bi-phase); 2. 固 相化(immobilization);
Wolf Foundation 2001 Price
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Kagan的贡献
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Knowles的同期贡献
COOH
+
25.C,1atm H2 Rh(I)-R,R-DIPAMP R
Ten of the top 20 pharmaceutical products prescribed in 1994 are molecules possessing at least one chiral center, and strict enantiopurity is required in eight out of these ten molecules. C H
注:Jacobsen的工作 的工作
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6.3 Ziegler-Natta Catalyst
Ziegler: TiCl4-AlEt3可以催化乙烯齐聚 Natta:丙烯齐聚,会导致聚合物的特异结构 50年代中期实现了聚丙烯工业化
OH HO N N
O H 3C O NH
levo-Dopapropizine(anti-tussive)
O
C2H5O O
Metaxalone(muscle relaxant) CH3
N Viloxazine(anti-depressant)
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Asymmetric Catalysis
Sedative
H
N O H O O
Teratogen
O O S N O H H
O R
O
N
N
反应停, R-异构体 减缓孕妇反应