Công nghệ xúc tác đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của ngành công nghiệp hóa chất, đóng góp một phần không nhỏ vào tổng sản lượng quổc gia (G NP - gross national product). Các quá trình sử dụng xúc tác nàm ở vị trí trung tâm trong các chiến lược hạn chế đến m ức toi đa hoặc loại trừ hoàn toàn chất thải. Thật vậy, m ột trong những m ục tiêu chính cùa các nhà hóa học là sản xuất ra sản phẩm với hiệu suẩt đạt 1 0 0% cũng như độ
chọn lọc đạt 100%. Thiết kể và lựa chọn hệ xúc tác thích hợp sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất các sản phẩm hóa chất bàng các quy trình không chất thải. X úc tác nói chung có mối liên quan mật thiết đến việc thiết kế, phát triển và thực thi các chiến luọc của hóa học xanh. Trong thế kỷ 21, chúng ta có thể m ong đợi rang các hoạt động tiến đến m ột công nghệ hóa học xanh và sạch hơn sẽ tạo nhiều cơ hộì cho việc phát triển lĩnh vực xúc tác cũng như các quá trình hóa học có sử dụng xúc tác ( ỉ).
M ột lĩnh vực của công nghệ xúc tác phát triển nhanh chóng và ngày càng thu hút sự quan tâm của cộng đồng hóa học theo hướng hạn chế tối đa chất thải là sử dụng xúc tác trên chất mang rắn. M ặc dù xúc tác ran đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các quá trình chế biến hóa dầu trên quy mò lớn, phần lớn các công nghệ sản xuất các hóa chẩt cao cấp, các hóa chất dùng trong công nghiệp dược phẩm lại chủ yếu dựa vào xúc tác dồng thể. Trong đỏ chi có m ột sổ rất ít các quá trình có sử dụng xúc tác rán, chủ yếu là trong phản ứng hydrogen hóa. Rất nhiều quá trình sử dụng xúc tác đồng thể như vậy đã được tìm ra và phát triển cách đây gần 1 0 0 năm, tuy nhiên chi
đuợc phát triển theo hướng tăng hiệu suất đến m ức tối đa m à bỏ qua ảnh hưởng của vjệc hình thành các sản phẩm phụ độc hại cũng như hình thành các chất thải gây ô nhiễm môi trường. M ột lượng lớn các chất thải độc hại được sinh ra trong quá trình tách và tinh chế sản phẩm cũng thường không được quan tâm khi đánh giá hiệu quả quá trình (2).
xúc TÁC CÓ KHẢ NĂNG THU HỔI VÀ TÁI s ử DỤNG 43 Để giải quyết vấn đề hạn chế chất thải cho các quá trình sử đụng xúc tác, đặc biệt trong các quy trình sản xuất hóa chất cao cấp, hóa chất dùng trong công nghiệp dược phẩm, xúc tác trên chất mang ran đã được đề nghị sử đụng. Thật vậy, bằng cách sử đụng xúc tác rắn, quá trình tách và tinh chế sản pham trở nên dễ dàng hơn so với trường hợp xúc tác đồng thể. Sau khi phản ứng kết thúc, xúc tác rắn được tách ra khòi hỗn hợp phản ímg dễ dàng bàng phương pháp lọc hay ly tâm đơn giản. Xúc tác sau khi tách ra có khả năng thu hồi và tái sừ dụng, và do đó tuổi thọ của xúc tác có khả năng được kéo dài. Điêu này thật sự có ý nghĩa lớn khi xúc tác sử dụng dựa trên các kim loại chuyển tiếp quý hiểm có giá thành rất cao - hầu hết các quá trinh sản xuất hỏa chất cao cấp, hóa chất dùng trong công nghiệp dược phẩm đều có sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp quý hiếm. Bằng cách thu hồi và tái sử dụng xúc tác, lượng chất thải chứa các kim loại nặng độc hại được hạn chê đên mức thâp nhât (5).
N ếu không sử dụng xúc tác trên chất mang rán, việc tách xúc tác là kim loại chuyển tiếp trong sản xuất hóa chất cao cấp, hóa chất dùng trong công nghiệp dược phẩm thường cần một số quy ừình phức tạp, ví dụ sừ dụng săc kỵ cột. Các xúc tác kim loại chuyên tiêp trong trường họp này thường khỏ có thê được thu hồi và tái sử dụng, hoặc phải trải qua một quá trinh thu hồi phức tạp tốn kém và không hiệu quả. Quy trinh thu hồi xúc tác đông thè như vậy thường có thể sinh ra một lượng lớn các chất thải khác. M ột hạn chế khác của việc sứ dụng xúc tác đồng thể trong trường hợp này là các sản phẩm hữu cơ có thể bị nhiễm vết kim loại nặng độc hại. Đây là vấn đề hết sức nghiêm trọng trong sản xuất dược phẩm hay các hóa chất cao cấp, vốn đòi hỏi sản phẩm phải đạt các chì tiêu tinh khiết một cách nghiêm ngặt. Băng cách sử dụng xúc tác trên chât mang rắn, có thể hạn chế đến mức thấp nhất việc sản phẩĩĩi bị nhiễm vết kim loại nặng nói trên (4). Trong nhiều trường hợp, chi phí dành cho quá trình tách và tinh chế làm tăng chi phí tổng cộng của quá trình một cách đáng kể.
N gày nay, có rẩt nhiều loại chất mang khác nhau được tìm ra nhằm cố định các xúc tác phức kim loại chuyển tiếp, v à nhiều loại xúc tác ran tương ứng đã chứng tỏ được ưu điểm của chúng. Tuy nhiên, cần phải nhìn nhận rằng các xúc tác trên chất m ang rấn cũng có những m ặt hạn chế vốn có cùa chúng. Do vấn đề truyền khối khổng chế, xúc tác phức trên chất m ang rẳn thường cỏ hoạt tính cũng như độ chọn lọc thấp hom so với các xúc tác đồng thể tương ứng. c ấ u trúc cứng nhắc của chất mang đã íàm cho các tâm xúc tác không còn linh động như trường hợp xúc tác hòa tan trong dung dịch, và do đó tác chất trở nên khỏ tiếp cận hơn. Ngoài ra, ở một số xúc tác trên chất mang rắn xảy ra hiện tượng hòa tan xúc tác {leaching), trong đó các kim loại xúc tác có thể tan vào dung dịch phản ứng. Trong một số trường hợp, qhinh lượng kim loại hoặc phức kim loại hòa tan này đâ đóng góp đáng kể vào hoạt tính xúc tác của hệ (5).
44 CHƯƠNG 1 Trong chương này sẽ tập trung giới thiệu một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về các xúc tác phức cố định trên các loại chất m ang răn khác nhau. Trong đó, chù yếu giới thiệu lần lượt các loại: (i) xúc tác phức cố định trên chất m ang polym er không tan và polym er hòa tan, và (ii) xúc tác phức cổ định trên chất mang silica, là những loại xúc tác đã được nghiên cứu theo định hướng hóa học xanh. M ặc dù có rất nhiều loại phản ứng hừu cơ khác nhau có thể sử dụng xúc tác phức trên chât mang răn, ở đây sẽ tập trung giới thiệu các loại phản ứng trong tông hợp hữu cơ đang được các nhà hóa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu, các loại phản ứng chưa được trình bày hay giới thiệu chi tíêt trong các giáo trình 'H óa hữĩi c ớ 1 cơ bản. Ví dụ các phản ứng ghép đôi carbon - carbon xây dựng bộ khung carbon phức tạp lừ những phân tử đơn giản, các phản ứng oxy hóa hay phản ứng khử chọn lục quang học, và một sổ phản ứng cần quan tàm khác.