- Charakteristiky katalytickej hydrogenácie
- Vodíkové väzby sa zlomia
- experimentálne
- druhy
- homogénna
- heterogénne
- Mechanizmus
- Referencie
Katalytická hydrogenácia je reakcia, ktorou je molekulárna vodík pridá ku zlúčenine pri vyšších rýchlostiach. Nielen musí H 2 molekula prvý rozbiť jeho kovalentnej väzbu, ale tiež, že je tak malá, rýchla kolízie medzi ním a zlúčeniny, na ktoré sa bude pridaný sú menej pravdepodobné.
Vodíková receptorová zlúčenina môže byť buď organická alebo anorganická. Príklady katalytickej hydrogenácie sa najčastejšie vyskytujú v organických zlúčeninách; najmä tie, ktoré vykazujú farmakologickú aktivitu alebo majú vo svojich štruktúrach zabudované kovy (organokovové zlúčeniny).
Zdroj: Gabriel Bolívar
Čo sa stane, keď H 2 sa pridá do uhlíkové štruktúry nabité? Jeho nenasýtenosť klesá, to znamená, že uhlík dosahuje maximálny stupeň jednoduchých väzieb, ktoré môže tvoriť.
Z tohto dôvodu, H 2 sa pridá do dvojitej (C = C) a troch (C = C) väzbami; hoci sa môže tiež pridať do karbonylových skupín (C = O).
Pridané alkény a alkíny teda reagujú katalytickou hydrogenáciou. Od povrchové analýzy akúkoľvek štruktúru, možno predpovedať, či sa bude pridávať H 2 len tým, že detekcia dvojitej a trojité väzby.
Charakteristiky katalytickej hydrogenácie
Obrázok ukazuje mechanizmus tejto reakcie. Pred opísaním je však potrebné zaoberať sa niektorými teoretickými aspektmi.
Povrchy sivastej gule predstavujú kovové atómy, ktoré, ako bude zrejmé, sú katalyzátormi hydrogenácie par excellence.
Vodíkové väzby sa zlomia
Na začiatku je hydrogenácia exotermická reakcia, to znamená, že uvoľňuje teplo v dôsledku tvorby zlúčenín s nižšou energiou.
Toto je vysvetlené stabilitou vytvorených CH väzieb, ktoré na ich následné prerušenie vyžadujú viac energie, ako vyžaduje väzba HH molekulárneho vodíka.
Na druhej strane hydrogenácia vždy zahrnuje najprv prerušenie väzby HH. Toto prasknutie môže byť homolytické, ako sa to stáva v mnohých prípadoch:
HH => H + + H
Alebo heterolytický, ku ktorému môže dôjsť napríklad vtedy, keď sa oxid zinočnatý ZnO hydrogenuje:
HH => H + + H -
Všimnite si, že rozdiel medzi týmito dvoma prerušeniami spočíva v tom, ako sú elektróny vo väzbe distribuované. Ak sú distribuované rovnomerne (kovalentne), každý H skončí pri zachovaní jedného elektrónu; zatiaľ čo ak je distribúcia iónová, jeden skončí bez elektrónov, H + a druhý ich získa úplne, H - .
Pri katalytickej hydrogenácii sú možné obe prerušenia, aj keď homolytická umožňuje na to uvoľniť vývoj logického mechanizmu.
experimentálne
Vodík je plyn, a preto musí byť prebublávaný a musí sa zabezpečiť, aby na povrchu kvapaliny prevládal iba plyn.
Na druhej strane musí byť zlúčenina, ktorá sa má hydrogenovať, solubilizovaná v médiu, ako je voda, alkohol, éter, estery alebo kvapalný amín; inak by hydrogenácia prebiehala veľmi pomaly.
Keď sa zlúčenina, ktorá sa má hydrogenovať, rozpustí, musí tiež existovať katalyzátor v reakčnom médiu. Toto bude zodpovedné za urýchlenie rýchlosti reakcie.
Pri katalytickej hydrogenácii sa často používajú jemne rozptýlené kovy niklu, paládia, platiny alebo ródia, ktoré sú nerozpustné takmer vo všetkých organických rozpúšťadlách. Preto budú existovať dve fázy: kvapalná fáza s rozpustenou zlúčeninou a vodíkom a pevná fáza, fáza katalyzátora.
Tieto kovy poskytujú svoj povrch pre reakciu vodíka a zlúčeniny tak, aby sa urýchlilo rozpad väzieb.
Podobne znižujú difúzny priestor druhov a zvyšujú počet účinných molekulárnych zrážok. Nielen to, ale aj reakcia prebieha vo vnútri pórov kovu.
druhy
homogénna
Hovoríme o homogénnej katalytickej hydrogenácii, keď sa reakčné médium skladá z jednej fázy. Použitie kovov v ich čistom stave sa tu nehodí, pretože sú nerozpustné.
Namiesto toho sa používajú organokovové zlúčeniny týchto kovov, ktoré sú rozpustné a ukázalo sa, že majú vysoké výťažky.
Jednou z týchto organokovových zlúčenín je Wilkinsonov katalyzátor: tris (trifenylfosfín) ródiumchlorid, 3 RhCl. Tieto zlúčeniny tvoria komplex s H 2 , aktiváciou jeho následnú radiacej na alkénov alebo Alkin.
Homogénna hydrogenácia predstavuje omnoho viac alternatív ako heterogénna. Prečo? Pretože chémia je organokovové zlúčeniny, je hojná: stačí zmeniť kov (Pt, Pd, Rh, Ni) a ligandy (organické alebo anorganické molekuly spojené s kovovým centrom), aby sa získal nový katalyzátor.
heterogénne
Heterogénna katalytická hydrogenácia, ako už bolo uvedené, má dve fázy: jednu kvapalinu a jednu pevnú látku.
Okrem kovových katalyzátorov existujú aj iné látky, ktoré pozostávajú z tuhej zmesi; napríklad Lindlarov katalyzátor, ktorý sa skladá z platiny, uhličitanu vápenatého, octanu olovnatého a chinolínu.
Lindlarov katalyzátor má zvláštnosť, že je nedostatočný na hydrogenáciu alkénov; Je však veľmi užitočný pri parciálnych hydrogenáciách, to znamená, že výborne funguje na alkiny:
RC≡CR + H 2 => RHC = CHR
Mechanizmus
Obrázok ukazuje mechanizmus katalytickej hydrogenácie s použitím práškového kovu ako katalyzátora.
Sivastá guľa zodpovedá kovovému povrchu platiny. H 2 molekula (purpurová farba) prístupov kovového povrchu rovnako ako tetra substituovaný alken, R 2 C = CR 2 .
K H 2 interaguje s elektrónmi, ktoré prebiehajú v atómy kovu a prasknutie a tvorba dočasný spoj HM dochádza, kde M je kov. Tento proces je známy ako chemisorpcia; to znamená adsorpcia chemickými silami.
Alkén interaguje podobným spôsobom, ale väzba je tvorená dvojitou väzbou (prerušovanou čiarou). Väzba HH sa už disociovala a každý atóm vodíka zostáva viazaný na kov; to isté robí s kovovými centrami v organokovových katalyzátoroch, čím sa vytvára medziprodukt HMH komplex.
Potom dôjde k migrácii H smerom k dvojitej väzbe, čo sa otvorí a vytvorí väzbu s kovom. Zostávajúce H sa potom viaže na iného uhlíka pôvodného dvojité väzby, a vyrobené alkán, R 2 HC-CHR 2 , je konečne uvoľní .
Tento mechanizmus sa bude opakovať toľkokrát, koľkokrát je to nutné, kým sa všetok H 2 plne zreagovali.
Referencie
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chémia. Amíny. (10 th edition.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Organická chémia. (Šieste vydanie). Mc Graw Hill.
- Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
- Lew J. (nd). Katalytická hydrogenácia alkénov. Chémia LibreTexts. Obnovené z: chem.libretexts.org
- Jones D. (2018). Čo je katalytická hydrogenácia? - Mechanizmus a reakcia. Štúdia. Obnovené z: study.com