Характеристики каталітичного гідрування, типи і механізм



The каталітичне гідрування є реакцією, при якій молекулярний водень додають до з'єднання при більш високих швидкостях. Молекула Н2 не тільки вона повинна спочатку розірвати свою ковалентну зв'язок, але також, оскільки вона настільки мала, ефективні зіткнення між нею і сполукою, до якої вона буде додана, менш вірогідні..

З'єднання рецептора водню може бути органічним або неорганічним. У органічних сполуках є більше прикладів каталітичного гідрування; особливо ті, які мають фармакологічну активність, або які внесли метали в свої структури (металоорганічні сполуки).

Що відбувається, коли додається H2 до структури, повної вуглецю? Вона знижує її ненасиченість, тобто вуглець досягає максимального ступеня простих зв'язків, які можуть формуватися.

Тому Н2 додають до подвійних (С = С) і трійок (С≡С) зв'язків; хоча він також може бути доданий до карбонільних груп (C = O).

Таким чином, алкени і алкіни реагують шляхом каталітичного гідрування. Шляхом поверхневого аналізу будь-якої структури можна передбачити, чи буде вона додати H2 тільки з виявленням подвійних і потрійних посилань.

Індекс

  • 1 Характеристики каталітичного гідрування
    • 1.1 Розриви водневої зв'язку
    • 1.2 Експериментальна
  • 2 типи
    • 2.1 Однорідна
    • 2.2 Гетерогенність
  • 3 Механізм
  • 4 Посилання

Характеристики каталітичного гідрування

Механізм цієї реакції показаний на зображенні. Однак, перш ніж описувати його, необхідно звернутися до деяких теоретичних аспектів.

Поверхні сіруватих сфер являють собою металеві атоми, які, як буде видно, є каталізаторами гідрування \ t.

Розриви водню

Для початку гідрування є екзотермічною реакцією, тобто випускає тепло в результаті утворення сполук нижчої енергії.

Це пояснюється стабільністю сформованих зв'язків С-Н, які потребують більше енергії для її подальшого розриву, ніж те, що вимагається H-H зв'язком молекулярного водню..

З іншого боку, гідрогенізація завжди включає в себе розрив H-H-зв'язку спочатку. Цей розрив може бути гомолітичним, як у багатьох випадках:

H-H => H ∙ + ∙ H

Або heterolítica, який може відбуватися, наприклад, коли оксид цинку гідрований, ZnO:

H-H => H+ + H-

Зауважимо, що різниця між двома розривами полягає в тому, як розподілені електрони в зв'язку. Якщо вони розподілені однаково (ковалентно), то кожен H закінчується тим, що зберігає електрон; якщо розподіл є іонним, то закінчується без електронів, H+, а другий виграє їх повністю, H-.

Обидва розриви можливі при каталітичному гідруванні, хоча гомолітика дозволяє розробити логічний механізм для цього.

Експериментальна

Водень - це газ, і тому він повинен бути барботированним і гарантованим, що тільки він переважає на поверхні рідини.

З іншого боку, з'єднання, яке підлягає гідрогенізації, повинно бути розчинене в середовищі, будь то вода, спирт, ефір, складні ефіри або рідкий амін; в іншому випадку гідрування буде проходити дуже повільно.

Після розчинення сполуки, що підлягає гідрогенізації, в реакційній середовищі також повинен бути каталізатор. Це буде відповідальним за прискорення швидкості реакції.

При каталітичному гідруванні зазвичай використовують тонко подрібнені метали нікелю, паладію, платини або родію, які нерозчинні майже у всіх органічних розчинниках. Тому будуть дві фази: рідка фаза з розчиненим з'єднанням і водень, і тверда фаза, що і для каталізатора.

Ці метали вносять свою поверхню таким чином, що водень і з'єднання реагують таким чином, що розриви зв'язків агілюються.

Крім того, вони зменшують простір дифузії виду, збільшуючи кількість ефективних молекулярних зіткнень. Не тільки це, але навіть реакція відбувається в порах металу.

Типи

Однорідні

Йдеться про гомогенне каталітичне гідрування, коли реакційна середовище складається з однієї фази. Тут немає місця для використання металів у їхніх чистих станах, оскільки вони нерозчинні.

Замість цього використовуються металоорганічні сполуки цих металів, які є розчинними і, як було показано, мають високі виходи..

Одним з таких металоорганічних сполук є каталізатор Вілкінсона: трис (трифенилфосфин) родій хлорид, [(C6H5)3P]3RhCl. Ці сполуки утворюють комплекс з Н2, активують його для наступної реакції додавання до алкена або алкина.

Гомогенне гідрування представляє багато інших альтернатив, ніж гетерогенне. Чому? Оскільки хімія є металоорганічними сполуками велика: достатньо змінити метал (Pt, Pd, Rh, Ni) і ліганди (органічні або неорганічні молекули, пов'язані з металевим центром), щоб отримати новий каталізатор..

Гетерогенна

Гетерогенне каталітичне гідрування, як тільки було згадано, має дві фази: одну рідину і одну тверду речовину.

Крім металевих каталізаторів, є й інші, які складаються з твердої суміші; наприклад, каталізатор Lindlar, який складається з платини, карбонату кальцію, ацетату свинцю і хіноліну.

Каталізатор Lindlar має особливість, що він дефіцитний для гідрування алкенів; однак, це дуже корисно для часткового гідрування, тобто він чудово працює на алкинах:

RC≡CR + H2 => RHC = CHR

Механізм

На зображенні показаний механізм каталітичного гідрування з використанням пилоподібного металу в якості каталізатора.

Сіруваті сфери відповідають металевій поверхні, скажімо, платини. Молекула Н2 (фіолетовий колір) наближається до поверхні металу, як тетразаміщений алкен, R2C = CR2.

H2 взаємодіє з електронами, які протікають через атоми металу, і відбувається розрив і тимчасова зв'язок утворює H-M, де M - метал. Цей процес відомий як хемосорбція; тобто адсорбція хімічними силами.

Алкени взаємодіють подібним чином, але зв'язок утворює його з подвійним зв'язком (пунктирна лінія). H-H зв'язок вже дисоційована і кожен атом водню залишається прикріпленим до металу; так само, як це роблять з металевими центрами в металоорганічних каталізаторах, утворюючи проміжний комплекс H-M-H.

Потім відбувається міграція Н до подвійного зв'язку, і вона відкриває формування зв'язку з металом. Потім, решта H з'єднується з іншим вуглецем вихідного подвійного зв'язку, і отриманий алкан остаточно вивільняється, R2HC-CHR2.

Цей механізм буде повторюватися стільки разів, скільки необхідно, до тих пір, поки всі H2 відреагували повністю.

Список літератури

  1. Грем Соломонс Т.В., Крейг Б. Фріле. (2011). Органічна хімія. Аміни (10й видання.). Wiley Plus.
  2. Кері Ф. (2008). Органічна хімія (Шосте видання). Mc Graw Hill.
  3. Shiver & Atkins. (2008). Неорганічна хімія (Четверте видання). Mc Graw Hill.
  4. Lew J. (s.f.). Каталітичне гідрування алкенів. Хімія LibreTexts. Отримано з: chem.libretexts.org
  5. Джонс Д. (2018). Що таке каталітичне гідрування? - Механізм і реакція. Дослідження. Отримано з: study.com