Характеристики, типове и механизми на каталитично хидрогениране



на каталитично хидрогениране е реакцията, при която молекулен водород се добавя към съединение при по-високи скорости. Молекулата на Н2 не само че първо трябва да прекъсне своята ковалентна връзка, но също така, тъй като е толкова малка, че ефикасните сблъсъци между него и съединението, към което ще се добавят, са по-малко вероятни..

Съединението на водородния рецептор може да бъде органично или неорганично. В органичните съединения се намират повече примери за каталитично хидрогениране; особено тези, които проявяват фармакологична активност или са включили метали в техните структури (органометални съединения).

Какво се случва, когато H се добави2 към структура, пълна с въглерод? Той намалява ненаситеността му, т.е. въглеродът достига максималната степен на прости връзки, които могат да се образуват.

Следователно, Н2 добавя се към двойки (С = С) и тройни (С = С) връзки; въпреки че може също да се добави към карбонилните групи (С = О).

Така алкени и алкини реагират чрез каталитично хидрогениране. Чрез повърхностно анализиране на всяка структура може да се предвиди дали ще добави Н2 с откриване само на двойни и тройни връзки.

индекс

  • 1 Характеристики на каталитичното хидрогениране
    • 1.1 Разкъсвания на водородната връзка
    • 1.2 Експериментална
  • 2 вида
    • 2.1 Хомогенни
    • 2.2 Хетерогенна
  • 3 Механизъм
  • 4 Препратки

Характеристики на каталитичното хидрогениране

Механизмът на тази реакция е показан на изображението. Необходимо е обаче да се разгледат някои теоретични аспекти преди да се опише.

Повърхностите на сивите сфери представляват металните атоми, които, както ще се вижда, са катализаторите на хидрогенирането par excellence.

Разкъсвания на водородните връзки

За начало, хидрогенирането е екзотермична реакция, т.е. тя отделя топлина в резултат на образуването на съединения с по-ниска енергия..

Това се обяснява със стабилността на образуваните С-Н връзки, които изискват повече енергия за последващото й разкъсване от това, което се изисква от Н-Н връзката на молекулярния водород..

От друга страна, хидрогенирането винаги включва първо разкъсване на H-H връзката. Това разкъсване може да бъде хомолитично, както в много случаи:

Н-Н => Н + + Н

Или heterolítica, която може да възникне, например, когато хидрогенира цинков оксид, ZnO:

Н-Н => Н+ + Н-

Забележете, че разликата между двете разкъсвания е в това, как се разпределят електроните в връзката. Ако те се разпределят еднакво (ковалентно), всяко H завършва с консервиране на електрон; като има предвид, че ако разпределението е йонно, единият завършва без електрони, Н+, а другият ги печели напълно, H-.

И двете разкъсвания са възможни при каталитично хидрогениране, въпреки че хомолитичният процес позволява разработването на логически механизъм за това.

експериментален

Водородът е газ и затова трябва да се барботира и гарантира, че само той преобладава на повърхността на течността.

От друга страна, съединението, което трябва да се хидрогенира, трябва да бъде разтворено в среда, било то вода, алкохол, етер, естери или течен амин; в противен случай хидрогенирането ще премине много бавно.

След като съединението, което трябва да се хидрогенира, се разтвори, в реакционната среда трябва да има и катализатор. Това ще бъде отговорно за ускоряване на скоростта на реакцията.

При каталитичното хидриране обикновено се използват фино раздробени метали от никел, паладий, платина или родий, които са неразтворими в почти всички органични разтворители. Следователно ще има две фази: течна фаза с разтвореното съединение и водород, и твърда фаза, тази на катализатора.

Тези метали допринасят за тяхната повърхност, така че водородът и съединението реагират по такъв начин, че прекъсванията на връзките се агилират.

По същия начин те намаляват пространството на дифузия на вида, увеличавайки броя на ефективните молекулярни сблъсъци. Не само това, но дори и реакцията протича в порите на метала.

тип

хомогенен

Говори се за хомогенно каталитично хидрогениране, когато реакционната среда се състои от една фаза. Тук няма място за използването на метали в техните чисти състояния, тъй като те са неразтворими.

Вместо това се използват органометални съединения на тези метали, които са разтворими и са показали високи добиви..

Едно от тези органометални съединения е катализаторът на Уилкинсън: трис (трифенилфосфин) родиев хлорид, [(С6Н5)3P]3RhCl. Тези съединения образуват комплекс с Н2, активирането му за последваща реакция на добавяне към алкен или алкин.

Хомогенното хидрогениране представя много повече алтернативи, отколкото хетерогенната. Защо? Тъй като химията е органометални съединения е изобилно: достатъчно е да се промени метала (Pt, Pd, Rh, Ni) и лигандите (органичните или неорганичните молекули, свързани с металния център), за да се получи нов катализатор.

хетерогенен

Хетерогенното каталитично хидрогениране, както току-що беше споменато, има две фази: една течност и едно твърдо вещество.

В допълнение към металните катализатори, има и други, които се състоят от твърда смес; например катализатор Lindlar, който се състои от платина, калциев карбонат, оловен ацетат и хинолин.

Катализаторът Lindlar притежава особеността, че е недостатъчен за хидрогениране на алкените; обаче, той е много полезен за частично хидрогениране, т.е. работи отлично върху алкините:

RC≡CR + H2 = RHC = CHR

механизъм

Изображението показва механизма на каталитично хидрогениране при използване на пулверизиран метал като катализатор.

Сивите сфери съответстват на металната повърхност, например на платина. Молекулата Н2 (лилав цвят) се доближава до металната повърхност като тетразаместения алкен, R2С = CR2.

H2 взаимодейства с електроните, които преминават през металните атоми, и се случва прекъсване и временна връзка образува H-M, където M е металът. Този процес е известен като хемисорбция; това е адсорбция от химически сили.

Алкените взаимодействат по подобен начин, но връзката го образува с двойната си връзка (пунктирана линия). H-H връзката вече е дисоциирана и всеки водороден атом остава свързан с метала; по същия начин, както с металните центрове в органометалните катализатори, образувайки междинен комплекс Н-М-Н.

След това се осъществява миграция на Н към двойната връзка и тя се отваря, образувайки връзка с метала. След това, останалото Н се присъединява към другия въглерод от първоначалната двойна връзка и произведеният алкан се освобождава, R2HC-CHR2.

Този механизъм ще се повтаря толкова пъти, колкото е необходимо, докато всички H2 са реагирали напълно.

препратки

  1. Греъм Соломонс T.W., Крейг Б. Фрайле. (2011 г.). Органична химия. Амини. (10тата издание.). Wiley Plus.
  2. Кери Ф. (2008). Органична химия (Шесто издание). Mc Graw Hill.
  3. Shiver & Atkins. (2008 г.). Неорганична химия (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
  4. Lew J. (s.f.). Каталитично хидрогениране на алкени. Химия LibreTexts. Изтеглено от: chem.libretexts.org
  5. Jones D. (2018). Какво представлява каталитичното хидрогениране? - Механизъм и реакция. Изследване. Изтеглено от: study.com