КАТАЛИТИЧНО ХИДРИРАНЕ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДОВЕ И МЕХАНИЗЪМ - ХИМИЯ - 2025

На каталитично хидриране е реакцията чрез което молекулярен водород се прибавя към съединение при по-високи скорости. Не само трябва на H ₂ молекулата първо счупи му ковалентна връзка, но също така, са толкова малки, ефикасни сблъсъци между нея и съединението, към който тя ще бъде добавена по-малко вероятно.

Съединението на водородния рецептор може да бъде органично или неорганично. Примери за каталитично хидриране най-често се намират в органични съединения; по-специално тези, които имат фармакологична активност, или които имат метали, вградени в структурите им (органометални съединения).

Източник: Габриел Боливар

Това се случва, когато Н ₂ се добавя към структура въглероден опаковани? Ненаситеността му намалява, тоест въглеродът достига максималната степен на прости връзки, които може да образува.

Следователно, Н ₂ се добавя двойно (С = С) и тройни (С = С) връзки; въпреки че може да се добави и към карбонилни групи (С = О).

По този начин добавените алкени и алкини реагират чрез каталитично хидриране. Като повърхностно анализ на всяка структура, това може да се предвиди дали или не ще добави Н ₂ само чрез откриване двойни и тройни връзки.

Характеристики на каталитичното хидриране

Изображението показва механизма на тази реакция. Необходимо е обаче да се обърнем към някои теоретични аспекти, преди да го опишем.

Повърхностите на сивкавите сфери представляват метални атоми, които, както ще се види, са катализатори на хидрогениране par excellence.

Разкъсването на водородна връзка

Като начало хидрогенирането е екзотермична реакция, тоест отделя топлина в резултат на образуването на съединения с по-ниска енергия.

Това се обяснява със стабилността на образуваните СН връзки, които изискват повече енергия за последващото им разрушаване, отколкото изисква НН връзката на молекулния водород.

От друга страна, хидрирането винаги включва първо разкъсване на НН връзка. Това разкъсване може да бъде хомолитично, както се случва в много случаи:

HH => H ∙ + ∙ H

Или хетеролитичен, който може да възникне, например, когато цинков оксид, ZnO, се хидрира:

HH => H ⁺ + H ^-

Обърнете внимание, че разликата между двете прекъсвания се състои в това как се разпределят електроните в връзката. Ако те са разпределени равномерно (ковалентно), всеки Н завършва, запазвайки един електрон; докато ако разпределението е йонно, единият завършва без електрони, Н ⁺, а другият ги получава напълно, Н ^-.

И двете разкъсвания са възможни при каталитично хидриране, въпреки че хомолитичният позволява да се даде път на развитието на логически механизъм за това.

експериментален

Водородът е газ и следователно той трябва да бъде барботиран и трябва да се гарантира, че само той преобладава върху повърхността на течността.

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

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

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

Тези метали осигуряват повърхността на водорода и съединението да реагират по такъв начин, че да се ускори разкъсването на връзките.

По същия начин те намаляват дифузионното пространство на вида, увеличавайки броя на ефективните молекулни сблъсъци. Не само това, но дори и реакцията протича вътре в порите на метала.

Видове

хомогенен

Говорим за хомогенно каталитично хидриране, когато реакционната среда се състои от една фаза. Използването на метали в техните чисти състояния не се вписва тук, тъй като те са неразтворими.

Вместо това се използват органометални съединения на тези метали, които са разтворими и е доказано, че имат високи добиви.

Едно от тези металоорганични съединения е катализаторът на Уилкинсън: трис (трифенилфосфин) родиев хлорид, ₃ RhCl. Тези съединения образуват комплекс с Н ₂, това активиране за последващото му присъединителна реакция към алкен или алкин.

Хомогенното хидриране представя много повече алтернативи от хетерогенното. Защо? Тъй като химията е органометалните съединения е в изобилие: достатъчно е да промените метала (Pt, Pd, Rh, Ni) и лигандите (органичните или неорганичните молекули, свързани с металния център), за да се получи нов катализатор.

хетерогенен

Хетерогенното каталитично хидриране, както споменахме, има две фази: една течна и една твърда.

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

Lindlar катализаторът има особеността, че е дефицитен за хидрогениране на алкени; Въпреки това, той е много полезен за частични хидрогенации, тоест работи отлично на алкини:

RC≡CR + Н ₂ => РЦЗ = CHR

механизъм

Изображението показва механизма на каталитично хидриране с използване на прахообразен метал като катализатор.

Сивкавите сфери съответстват на металната повърхност, да речем, на платина. Н ₂ молекула (пурпурен цвят) подходи на металната повърхност като прави тетра заместен алкен, R ₂ C = CR ₂.

Н ₂ взаимодейства с електрони, които преминават през атомите на метала и разкъсване и образуване на временна връзка HM случи, където М е метал. Този процес е известен като хемосорбция; тоест адсорбция от химически сили.

Алкен взаимодейства по подобен начин, но връзката се формира от двойната му връзка (пунктирана линия). НН връзката вече се е разединила и всеки водороден атом остава свързан към метала; тя прави същото с металните центрове в органометални катализатори, образувайки междинен HMH комплекс.

След това се случва миграция на Н към двойната връзка и това се отваря, образувайки връзка с метала. Останалите часа, след което се свързва с друг въглерод на оригиналната двойна връзка, и произведен алкан, R ₂ HC-CHR ₂, накрая се освобождава.

Този механизъм се повтаря толкова пъти, колкото е необходимо, докато всички Н ₂ е напълно реагирал.

Препратки

1. Греъм Соломон TW, Craig B. Fryhle. (2011 г.). Органична химия. Амини. (10 ^-то издание.) Wiley Plus.
2. Кери Ф. (2008). Органична химия. (Шесто издание). Mc Graw Hill.
3. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (nd). Каталитично хидрогениране на алкени. Химия LibreTexts. Възстановено от: chem.libretexts.org
5. Джоунс Д. (2018). Какво е каталитично хидрогениране? - Механизъм и реакция. Изследване. Възстановено от: study.com