Charakteristiky, typy a mechanizmy katalytickej hydrogenácie



katalytická hydrogenácia "Reakcia" je reakcia, ktorou sa molekulová vodík pridáva k zlúčenine pri vyšších rýchlostiach. Molekula H2 nielenže musí najprv rozbiť kovalentnú väzbu, ale aj preto, že je taká malá, že je menej pravdepodobné, že medzi ňou a zlúčeninou, ku ktorej bude pridaná, bude kolízia..

Zlúčenina s vodíkovým receptorom môže byť organická alebo anorganická. V organických zlúčeninách sa nachádza viac príkladov katalytickej hydrogenácie; najmä tie, ktoré vykazujú farmakologickú aktivitu, alebo ktoré majú vo svojich štruktúrach zabudované kovy (organokovové zlúčeniny).

Čo sa stane, keď sa pridá H2 na štruktúru plnú uhlíka? Znižuje jej nenasýtenie, to znamená, že uhlík dosahuje maximálny stupeň jednoduchých väzieb, ktoré sa môžu tvoriť.

Preto H2 pridáva sa do dvojitých (C = C) a trojitých (C = C) väzieb; hoci sa môže tiež pridať k karbonylovým skupinám (C = O).

Alkény a alkíny teda reagujú katalytickou hydrogenáciou. Povrchovou analýzou akejkoľvek štruktúry je možné predpovedať, či bude alebo nebude pridávať H2 iba s detekciou dvojitých a trojitých odkazov.

index

  • 1 Charakteristika katalytickej hydrogenácie
    • 1.1 Porušenie vodíkovej väzby
    • 1.2 Experimentálne
  • 2 Typy
    • 2.1 Homogénne
    • 2.2 Heterogénne
  • 3 Mechanizmus
  • 4 Odkazy

Charakteristiky katalytickej hydrogenácie

Mechanizmus tejto reakcie je znázornený na obrázku. Pred popisom je však potrebné venovať sa niektorým teoretickým aspektom.

Povrchy sivastých sfér predstavujú kovové atómy, ktoré, ako bude vidieť, sú katalyzátormi hydrogenačnej par excellence.

Porušenie vodíkových väzieb

Pre začiatok je hydrogenácia exotermická reakcia, to znamená, že uvoľňuje teplo v dôsledku tvorby zlúčenín s nižšou energiou..

To je vysvetlené stabilitou vytvorených väzieb C-H, ktoré vyžadujú viac energie na jej následné roztrhnutie, než je požadované H-H väzbou molekulárneho vodíka..

Na druhej strane, hydrogenácia vždy vyžaduje najprv prerušenie väzby H-H. Toto prasknutie môže byť homolytické, ako v mnohých prípadoch:

H-H => H + + H

Alebo heterolítica, ktorá sa môže vyskytnúť napríklad pri hydrogenácii oxidu zinočnatého, ZnO:

H-H => H+ + H-

Všimnite si, že rozdiel medzi týmito dvoma trhlinami spočíva v tom, ako sú elektróny vo väzbe distribuované. Ak sú distribuované rovnomerne (kovalentne), každý H končí konzervovaním elektrónu; keďže ak je distribúcia iónová, jeden končí bez elektrónov, H+, a druhý ich úplne vyhrá, H-.

Obidva prasknutia sú možné pri katalytickej hydrogenácii, hoci homolytické umožňuje na to vytvorenie logického mechanizmu.

experimentálne

Vodík je plyn, a preto musí byť prebublávaný a zaručený, že na povrchu kvapaliny prevláda iba jeho.

Na druhej strane, zlúčenina, ktorá sa má hydrogenovať, sa musí solubilizovať v médiu, ktorým je voda, alkohol, éter, estery alebo kvapalný amín; inak by hydrogenácia prešla veľmi pomaly.

Keď sa zlúčenina, ktorá sa má hydrogenovať, rozpustí, musí byť v reakčnom médiu tiež katalyzátor. To bude zodpovedné za urýchlenie rýchlosti reakcie.

Pri katalytickej hydrogenácii sa zvyčajne používajú jemne rozdrvené kovy niklu, paládia, platiny alebo ródia, ktoré sú nerozpustné v takmer všetkých organických rozpúšťadlách. Preto budú existovať dve fázy: kvapalná fáza s rozpustenou zlúčeninou a vodíkom a pevná fáza katalyzátora.

Tieto kovy prispievajú svojím povrchom tak, že vodík a zlúčenina reagujú takým spôsobom, že sa rozbijú zlomeniny väzieb.

Podobne zmenšujú priestor difúzie druhov, čím sa zvyšuje počet účinných molekulárnych kolízií. Nielen to, ale aj reakcia prebieha v póroch kovu.

typ

homogénna

Hovorí sa o homogénnej katalytickej hydrogenácii, keď reakčné médium pozostáva z jednej fázy. Tu nie je priestor na používanie kovov v ich čistých stavoch, pretože sú nerozpustné.

Namiesto toho sa používajú organokovové zlúčeniny týchto kovov, ktoré sú rozpustné a ktoré vykazujú vysoké výťažky..

Jednou z týchto organokovových zlúčenín je Wilkinsonov katalyzátor: tris (trifenylfosfín) ródiumchlorid, [(C6H5)3P]3RhCl. Tieto zlúčeniny tvoria komplex s H2, aktiváciu pre jeho následnú adičnú reakciu na alkén alebo alkín.

Homogénna hydrogenácia predstavuje oveľa viac alternatív ako heterogénna. Prečo? Pretože chémia je organokovová zlúčenina je bohatá: 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, ktoré pozostávajú z pevnej 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 pre čiastočné hydrogenácie, to znamená, že výborne funguje na alkínoch:

RC≡CR + H2 => RHC = CHR

mechanizmus

Obrázok znázorňuje mechanizmus katalytickej hydrogenácie s použitím práškového kovu ako katalyzátora.

Sivasté guľôčky zodpovedajú kovovému povrchu platiny. Molekula H2 (fialová farba) sa približuje k povrchu kovu, ako je tetra-substituovaný alkén, R2C = CR2.

H2 interaguje s elektrónmi, ktoré prechádzajú atómami kovu a dochádza k prerušeniu a dočasná väzba tvorí H-M, kde M je kov. Tento proces je známy ako chemisorpce; to znamená adsorpciu chemickými silami.

Alkén interaguje podobným spôsobom, ale spojenie ho vytvára s dvojitou väzbou (bodkovaná čiara). H-H väzba už bola disociovaná a každý atóm vodíka zostáva viazaný na kov; rovnakým spôsobom ako s kovovými centrami v organokovových katalyzátoroch, pričom vzniká medziproduktový komplex H-M-H.

Potom dochádza k migrácii H na dvojitú väzbu a otvára sa väzba s kovom. Potom sa zostávajúci H spojí s druhým uhlíkom pôvodnej dvojitej väzby a vyrobený alkán sa nakoniec uvoľní, R2HC-CHR2.

Tento mechanizmus sa bude opakovať toľkokrát, koľkokrát je to potrebné, až kým sa nedosiahne všetok H2 reagovali úplne.

referencie

  1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Organická chémia. Amíny. (10th vydania.). Wiley Plus.
  2. Carey F. (2008). Organická chémia (Šieste vydanie). Mc Graw Hill.
  3. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chémia (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
  4. Lew J. (s.f.). Katalytická hydrogenácia alkénov. Chémia LibreTexts. Zdroj: chem.libretexts.org
  5. Jones D. (2018). Čo je katalytická hydrogenácia? - Mechanizmus a reakcia. Štúdia. Zdroj: study.com