Учебные материалы по курсу химии нефти и органического катализа

Программа кандидатского минимума по специальности "физическая химия"(02.00.04)

Химия поверхности твердого тела

Поверхностные явления. Отличие свойств поверхности от свойств объема. Локализация «оборванных» связей: реконструкция и релаксация поверхности; образование функционального покрова. Твердое тело как надмолекула. Остов твердого тела и поверхностные функциональные группы. Поверхность неорганических и органических твердых тел. Пористые и гладкие поверхности.
Методы исследования поверхности твердого тела и поверхностных взаимодействий. Адсорбционные измерения величин удельной поверхности, объема пор и распределения пор по размерам. Методы определения структуры и топографии поверхности: сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия, дифракция медленных электронов. Методы определения химического состава поверхностных слоев и природы функционального покрова: оптическая спектроскопия (УФ-, ИК-, спектроскопия комбинационного рассеяния); радиоспектроскопия (ЭПР, ЯМР); мессбауэровская спектроскопия (ЯГР); рентгеновские и другие спектральные методы, МСВИ, Оже-спектроскопия, РФЭС, EXAFS, термолинзовая спектроскопия). Метод термодесорбции для исследования поверхностных взаимодействий.
Фрактальная размерность. Фракталы массы и поверхности. Применение фрактального анализа для описания пористых твердых тел. Экспериментальные методы определения фрактальной размерности.
Поверхности различных материалов: металлов, оксидов, алмаза, графита. Влияние химического состояния поверхности на физические и химические свойства твердых тел. Кремнезем как модельный носитель.
Методы модифицирования поверхности: физическое (легирование, ионная имплантация, нанесение тонких пленок и покрытий) и химическое (изменение функционального покрова) модифицирование.
Химическое модифицирование поверхности. Требования к модификаторам. Якорная группа и стабильность поверхностно-модифицированных материалов. Привитый слой – важнейший элемент химически модифицированного материала. Строение привитых слоев. Распределение привитых молекул в слое. Двумерность, макромолекулярность и полифункциональность привитого слоя. Взаимное влияние привитых молекул. Химическое модифицирование гидроксилированных носителей металлоорганическими соединениями – путь синтеза гетерогенных металлокомплексных катализаторов.
Применение поверхностно-модифицированных материалов: селективные сорбенты, катализаторы, ионообменники, сенсоры, наполнители пластмасс, стабилизаторы и т.д.

Эволюционный катализ

Основы эволюционного катализа. Модели элементарных каталитических систем. Базисная реакция, кинетические и энергетические параметры КС. Теория самоорганизации, существования, устойчивости и саморазвития элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС). Эволюционные законы химии. Связь эволюционного катализа с классической химией и теоретической биологией и вклад его в научную синергетику.
Специфические свойства ЭОКС: неравновесность, целостность, системность и динамизм. Энергетическое сопряжение и синхронизация процессов в ЭОКС, образование электроно-транспортных цепей и цепей перераспределения связей.  Нелинейность и эффекты синергизма в катализе. Использование специфических свойств ЭОКС для осуществления кинетически затрудненных и эндергонических процессов, для интенсификации и новых приемов управления процессами.
Самоорганизация компонентов системы как необходимое условие осуществления каталитического акта. Саморазвитие самоорганизации ЭОКС как сущность прогрессивной химической эволюции. Механизм естественного отбора по функциональным параметрам. Типы самоорганизации микроскопических и макроскопических систем.
Связь эффектов разработки катализаторов с явлением саморазвития ЭОКС. Возможности выявления индивидуальных свойств ЭОКС на основе кинетических данных. Периодические процессы в макросистемах.
Поликонденсационные процессы и углеродные продукты уплотнения в органическом катализе, химии полиуглеродов и круговороте углерода в природе. Механизмы катализа с промежуточным образованием полимеркатализаторных комплексов. Нестационарные полимолекулярные процессы в разработке катализаторов, в образовании алмаза, графита, карбина и других полиуглеродов и в абиогенном синтезе углеводородов нефти и газа в открытых каталитических системах.

Металлокомплексный катализ

Основы классификации комплексов переходных металлов. Базовые понятия координационной химии. Правило 18-ти электронов, его ограничения. Природа связи металл-лиганд. Ключевые стадии металлокомплексного катализа
Каталитические реакции: изомеризация олефинов, гидрирование олефинов, карбонилирование и гидроформилирование, окисление, диспропорционирование. Активация молекулярного азота, алканов, углекислого газа. Асимметрический металлокомплексный катализ. Кластерные металлокомплексные катализаторы.
Катализ порфиринами и их аналогами. Особенности координационной химии фталоцианинов; влияние природы металла, аксиальных лигандов и структуры макроцикла на каталитические свойства порфиринов и их аналогов
Гетерогенизированные металлокомплексные катализаторы. Носители для металлокомплексных катализаторов: минеральные и органические полимерные. Общие и специальные методы гетерогенизации. Топологическое закрепление комплексов переходных металлов. Катализ металлополимерами.  Достоинства и недостатки гетерогенных металлокомплексных катализаторов. Аналогия между хемосорбцией в гетерогенном катализе и координацией в металлокомплексном.
Актуальные проблемы металлокомплексного катализа.

Литература