Katalītiskās hidrogenēšanas īpašības, veidi un mehānisms



The katalītiskā hidrogenēšana ir reakcija, ar kuru molekulārais ūdeņradis tiek pievienots savienojumam ar lielāku ātrumu. H molekula2 tai ir ne tikai jāatkāpjas tās kovalentā saite, bet arī tāpēc, ka tā ir tik maza, ka efektīvākas sadursmes starp to un savienojumu, kam tas tiks pievienots, ir mazāk ticamas..

Ūdeņraža receptoru savienojums var būt organisks vai neorganisks. Organiskajos savienojumos ir atrodami vairāk katalītiskā hidrogenēšanas piemēri; jo īpaši tie, kas rada farmakoloģisku aktivitāti vai ir iekļāvuši metālus savās struktūrās (organometāliskie savienojumi).

Kas notiek, ja pievieno H2 uz oglekļa struktūru? Tas samazina tā nepiesātināšanos, tas ir, ogleklis sasniedz maksimālo vienkāršo obligāciju līmeni, kas var veidoties.

Tāpēc H2 tas tiek pievienots divkāršajām (C = C) un trīskāršajām (C≡C) obligācijām; lai gan to var pievienot arī karbonilgrupām (C = O).

Tādējādi alkēni un alkīni reaģē ar katalītisko hidrogenēšanu. Analizējot jebkuru struktūru, var paredzēt, vai tā pievienos H2 tikai ar divkāršu un trīskāršu saikni.

Indekss

  • 1 Katalītiskā hidrogenēšanas raksturojums
    • 1.1. Ūdeņraža savienojuma plīsumi
    • 1.2 Eksperimentāli
  • 2 veidi
    • 2.1. Viendabīgs
    • 2.2 Heterogēns
  • 3 Mehānisms
  • 4 Atsauces

Katalītiskā hidrogenēšanas raksturojums

Šīs reakcijas mehānisms parādīts attēlā. Tomēr pirms tā aprakstīšanas ir jārisina daži teorētiski aspekti.

Pelēcīgo sfēru virsmas ir metāliskie atomi, kas, kā redzams, ir hidrogenēšanas katalizatori par excellence.

Ūdeņraža savienojumu plīsumi

Sākotnēji hidrogenēšana ir eksotermiska reakcija, tas ir, tā atbrīvo siltumu zemāku enerģijas savienojumu veidošanās rezultātā..

Tas izskaidrojams ar izveidoto C-H saistību stabilitāti, kas prasa lielāku enerģiju turpmākajam pārrāvumam nekā tas, kas nepieciešams molekulārā ūdeņraža H-H saitei..

No otras puses, hidrogenēšana vienmēr ir saistīta ar H-H savienojuma laušanu. Šis plīsums var būt homolītisks, jo daudzos gadījumos:

H-H => H ∙ + ∙ H

Vai heterolitica, kas var notikt, piemēram, ja cinka oksīds ir hidrēts, ZnO:

H-H => H+ + H-

Ņemiet vērā, ka atšķirība starp abiem pārrāvumiem ir saistīta ar to, kā tiek sadalīti obligāciju elektroni. Ja tie tiek sadalīti vienādi (kovalenti), katrs H beidzas, saglabājot elektronu; tā kā, ja sadalījums ir joniski, viens beidzas bez elektroniem, H+, otrs uzvar tos pilnīgi, H-.

Abi plīsumi ir iespējami katalītiskajā hidrogēnošanā, lai gan homolītiskais process ļauj izveidot loģisku mehānismu.

Eksperimentāli

Ūdeņradis ir gāze, un tāpēc tas ir jāurbo un jāgarantē, ka tikai šķidruma virsmā dominē tas..

No otras puses, hidrogenējamajam savienojumam jābūt šķīdinātam vidē, vai tas ir ūdens, spirts, ēteris, esteri vai šķidrais amīns; pretējā gadījumā hidrogenēšana noritētu ļoti lēni.

Kad hidrogenējamais savienojums ir izšķīdis, reakcijas vidē ir jābūt arī katalizatoram. Tas būs atbildīgs par reakcijas ātruma paātrināšanu.

Katalītiskajā hidrogēnā parasti tiek izmantoti smalki sadalīti metāli no niķeļa, palādija, platīna vai rodija, kas nešķīst gandrīz visos organiskajos šķīdinātājos. Tāpēc būs divas fāzes: šķidrā fāze ar izšķīdušo savienojumu un ūdeņradi un cieta fāze - katalizatora fāze.

Šie metāli veicina to virsmu tā, lai ūdeņradis un savienojums reaģētu tādā veidā, ka obligāciju pārtraukumi ir agili.

Tāpat tie samazina sugas difūzijas telpu, palielinot efektīvo molekulāro sadursmju skaitu. Ne tikai tas, bet arī reakcija notiek metāla metāla porās.

Veidi

Homogēns

Tiek runāts par viendabīgu katalītisko hidrogenēšanu, kad reakcijas vidē ir viena fāze. Šeit nav vietas metālu izmantošanai tīrā stāvoklī, jo tie ir nešķīstoši.

Tā vietā tiek izmantoti šo metālu organometaliskie savienojumi, kas ir šķīstoši un kuriem ir pierādīts, ka tiem piemīt augstas ražas..

Viens no šiem organometāliskajiem savienojumiem ir Wilkinson katalizators: tris (trifenilfosfīns) rodija hlorīds, [(C6H5)3P]3RhCl. Šie savienojumi veido kompleksu ar H2, aktivizējot to turpmākai pievienošanas reakcijai ar alkēnu vai alkīnu.

Homogēna hidrogenēšana rada daudz vairāk alternatīvu nekā heterogēna. Kāpēc? Tā kā ķīmija ir organometaliskie savienojumi ir bagātīgi: ir pietiekami, lai nomainītu metālu (Pt, Pd, Rh, Ni) un ligandus (organiskos vai neorganiskos molekulas, kas saistītas ar metālisko centru), lai iegūtu jaunu katalizatoru..

Heterogēns

Heterogēnai katalītiskai hidrogenēšanai, kā minēts iepriekš, ir divas fāzes: viens šķidrums un viena cieta viela.

Papildus metāla katalizatoriem ir arī citi, kas sastāv no cieta maisījuma; piemēram, Lindlar katalizators, kas sastāv no platīna, kalcija karbonāta, svina acetāta un hinolīna.

Lindlar katalizatoram ir īpaša īpašība, ka tā ir nepietiekama alkēnu hidrogenēšanai; tomēr tas ir ļoti noderīgs daļējai hidrogenēšanai, tas ir, tas lieliski darbojas uz alkīniem:

RC≡CR + H2 => RHC = CHR

Mehānisms

Attēlā parādīts katalītiskā hidrogenēšanas mehānisms, izmantojot katalizatoru ar pulverizētu metālu.

Pelēcīgās sfēras atbilst, piemēram, platīna metāla virsmai. H molekula2 (purpura krāsa) tuvojas metāla virsmai, piemēram, tetra aizvietotā alkēna, R2C = CR2.

H2 mijiedarbojas ar elektroniem, kas iet cauri metāla atomiem, un notiek pārtraukums un pagaidu saite veido H-M, kur M ir metāls. Šis process ir pazīstams kā chemisorption; tas ir, ķīmisko spēku adsorbcija.

Alkēns mijiedarbojas līdzīgi, bet saite veido to ar divkāršo saiti (punktētu līniju). H-H saite jau ir atdalīta, un katrs ūdeņraža atoms ir savienots ar metālu; tāpat kā ar metālu centriem organometāliskajos katalizatoros, veidojot H-M-H starpproduktu kompleksu.

Tad notiek H pāreja uz divkāršo saiti, un tā paver savienojumu ar metālu. Tad atlikušais H pievienojas otrās sākotnējās dubultās saites ogleklim, un iegūtais alkāns beidzot tiek atbrīvots, R2HC-CHR2.

Šis mehānisms tiks atkārtots tik reižu, cik nepieciešams, līdz viss H2 ir pilnībā reaģējušas.

Atsauces

  1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Organiskā ķīmija. Amīni (10. \ Tth izdevumā.). Wiley Plus.
  2. Carey F. (2008). Organiskā ķīmija (Sestais izdevums). Mc Graw kalns.
  3. Shiver & Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija (Ceturtais izdevums). Mc Graw kalns.
  4. Lew J. (s.f.). Alkēnu katalītiskā hidrogenēšana. Ķīmija LibreTexts. Saturs iegūts no: chem.libretexts.org
  5. Jones D. (2018). Kas ir katalītiskā hidrogenēšana? - Mehānisms un reakcija. Pētījums. Saturs iegūts no: study.com