알칸의 촉매이성질체화 메커니즘의 조사(A survey of the mechanism in catalytic isomerization of alkanes)

전문가 제언

□ n-알칸을 가지 친 알칸으로 이성질체화는 가솔린의 옥탄값을 획기적으로 향상시키기 때문에 C4-C6 탄화수소의 이성질체화는 공업적 규모로 수행되고 있다. n-부탄의 이성질체화로 얻은 이소부탄은 이소부텐으로 탈수소화 하여 알킬화공정과 MTBE 합성에 사용된다. 헵탄의 이성질체화도 광범위하게 연구되어왔다. 탄화수소들의 골격 자리옮김반응은 더 높은 옥탄값을 갖는 생성물들을 얻기 위해 탄소수가 더 높은 탄화수소들의 가수소열분해에서 중요하다.

□ 알칸이성질체화의 메커니즘은 다년간 논의되어왔고 외관상으로는 확립된 것 같지만 메커니즘의 상세한 설명들은 아직까지 미정이다. 해결되어야할 주된 문제들에는 카르베늄(carbenium)이온들의 형성방법, 촉매의 산성도 요건 및 이성질체화동안 금속성분과 수소의 역할들이 포함된다. 이 리뷰는 알칸 이성질체화의 촉매와 메커니즘에 관한 최근 발전을 조사한 것이다.

□ 공업적 이성질체화공정에서 Friedel-Crafts 촉매들은 강한 산성이고 300 ~390K에서 대단히 활성이다. 비교적 낮은 온도에서 그 평형반응이 가지 친 이성질체로 이동하기 때문에 낮은 온도 활성도는 유리하여 초기에는 주로 사용되었다. 그러나 그 촉매들은 용기의 부식문제와 사용된 촉매의 처리문제 때문에 더 이상 사용되지 않는다.

□ 제올라이트와 변형된 알루미나와 같은 고체 산들은 알칸이성질체화를 위하여 활성이다. 그 촉매성능은 고체산 위에 전이금속을 실음과 높은 수소압력 하에서 작동함에 의해 그 선택도와 촉매수명의 관점에서 크게 개선된다. 산성 성분인 염소화알루미나 또는 제올라이트는 카르베늄이온들이 포함된 반응단계들에 관여하지만, 금속 성분들은 수소화-탈수소화 활성도를 제공한다. 그러므로 이형태의 촉매를 이작용기 또는 이중-작용기촉매라고 한다.

□ 공업적 공정들은 이중-작용기촉매가 이용되고 그 공정들은 소모되지 않는 높은 수소압력(20~70kg/cm2) 하에서 작동된다. 수소의 존재 때문에 이들 과정들을 가 수소이성질화(hydroisomerization)라고 한다. 그 외에 고체 산에 지지된 Pt/S-ZrO2, Fe, Mn/S-ZrO2, Pt-WO3/ZrO2, SiO2/Pd-WPA, Mo/W 옥시탄화물 및 부분적으로 환원된 MoO3 촉매들의 역할들이 상세히 고찰되었다.

□ 알칸들의 이성질체화에 대하여 두 가지 형태의 촉매들 즉 산 촉매들(균일 또는 불 균일)과 전이금속(대부분 Pt)으로 실린 고체 산들이 있다. 두 경우들에서 카르베늄이온들은 골격 자리옮김반응의 원인이 된다. 그러므로 이성질체화에서 가장 중요한 단계들은 카르베늄이온들의 형성과 촉매표면 위의 이온들의 자리 옮김이다. 많은 경우에 골격 자리 옮김이 속도-결정단계이다.

□ 이 알칸의 촉매이성질체화에서 촉매의 산성요건, 이작용기촉매 등 많은 촉매 역할들과 탈수소, 수소화, 가수소열분해, 이성질체화, 알킬화, 카르베늄이온들의 생성과 골격 자리 옮김 메커니즘 등의 상세한 이해와 응용은 유기합성화학의 기본원리가 될 것이며, 최적촉매가 개발되어 실용화 될 경우는 석유화학에서 중요한 옥탄값 문제를 해결하는 결과가 된다.

저자

Ono, Yoshio

자료유형

원문언어

영어

기업산업분류

화학·화공

연도

2003

권(호)

81(1)

잡지명

Catalysis Today

과학기술
표준분류

화학·화공

페이지

3~16

분석자

여*현

분석물

• 알칸의 촉매이성질체화 메커니즘의 조사.pdf [190,339 byte]

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