Что представляют собой активные центры?

Каково их строение?

Ответить на этот вопрос учёные пытаются уже почти 100 лет. В середине ХХ столетия было предложено несколько частных теорий действия катализаторов. В этих теориях рассматриваются структура активных центров и механизм их действия (об этом речь пойдет позже). Трудность состоит в том, что для ответа необходимо уметь «разглядывать» поверхность гетерогенного катализатора на атомном уровне, да ещё и в процессе химической реакции. Это стало возможно только в последнее время и лишь в некоторых наиболее простых случаях. Но и в этих случаях требуется применение сложной и очень дорогой физической аппаратуры. Несколько проще обстоит дело с гомогенными катализаторами, ведь информативных методов исследования молекул в растворах известно довольно много.

В гетерогенном катализе широко используется выдвинутое ещё в 1930;х г. г. предположение о существовании на поверхности твёрдых катализаторов активных центров, представляющих собой углы, вершины, рёбра или различные структурные нарушения (дислокации, дефекты) кристаллической структуры.

Активные центры могут быть не только частью кристаллической поверхности (например, металла), но и определенным участком макромолекулы (в ферментативном катализе). Принято считать, что активный центр комплементарен (т. е. пространственно соответствует) переходному состоянию реагента (в ферментативном катализе реагенты называют субстратами) при превращении его в продукт. Благодаря этому стабилизируется переходное состояние и понижается энергия активации. Многие ферменты обладают высокой субстратной специфичностью, т. е. способностью катализировать превращение только одного или нескольких близких по структуре веществ. Специфичность обуславливается строением участка активного центра, связывающего субстрат.

В гомогенных каталитических процессах в качестве катализаторов применяются определённые химические соединения или их смеси; каталитические свойства этих соединений целиком определяются их химическим составом и строением. В идеальном случае все молекулы растворенного катализатора являются активными центрами и образуют с реагентами промежуточные реакционноспособные комплексы. Характер промежуточного химического взаимодействия при этом весьма разнообразен и зависит от типа гомогенного катализа.

В кислотно-основном гомогенном катализе активными центрами служат кислоты и основания либо в недиссоциированной форме (общий кислотно-основной катализ), либо в виде ионов Н3О+ и ОН- (специфический кислотно-основной катализ).

Активные центры в гетерогенном кислотном катализе — поверхностные гидроксильные группы (например, на SiO2, Al2O3· SiO2, MgO, MgSO4 и др.). Эти группы имеют различные кислотные свойства: Al2O3 — достаточно сильная твердая кислота, SiO2 проявляет слабые кислотные свойства, MgSO4 — слабая кислота В металлокомплексном гомогенном катализе активными центрами являются ионы переходных металлов (Pd, Pt, Rh, Ti, Fe и др.), входящие в состав координационных соединений и способные к образованию комплексов с молекулами реагентов.