КАТАЛІТИЧНЕ ГІДРУВАННЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ТИПИ ТА МЕХАНІЗМ - ХІМІЯ - 2025

Каталітичного гідрування є реакцією , з допомогою якого молекулярний водень додають до з'єднання на більш високих швидкостях. Не тільки молекула Н ₂ повинна спочатку розірвати свою ковалентну зв'язок, але також, маючи настільки малі, ефективні зіткнення між нею та сполукою, до якої вона буде додаватися, є менш імовірними.

З'єднання рецептора водню може бути органічним або неорганічним. Приклади каталітичного гідрування найчастіше зустрічаються в органічних сполуках; зокрема, ті, що мають фармакологічну активність, або метали, які вбудовані в їх структуру (органометалічні сполуки).

Джерело: Габріель Болівар

Що відбувається, коли H ₂ додається до складу вуглецевої структури? Його ненасиченість зменшується, тобто вуглець досягає максимального ступеня простих зв’язків, які він може утворити.

Тому H ₂ додається до подвійних (C = C) і потрійних (C≡C) зв’язків; хоча він також може бути доданий до карбонільних груп (C = O).

Таким чином, додані алкени та алкіни реагують каталітичним гідруванням. Поверхово проаналізувавши будь-яку структуру, можна передбачити, додасть вона чи ні H _2, лише виявивши подвійні та потрійні зв’язки.

Характеристика каталітичного гідрування

На зображенні показаний механізм цієї реакції. Однак перед її описом необхідно звернутися до деяких теоретичних аспектів.

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

Водневий зв’язок розривається

Для початку гідрування - це екзотермічна реакція, тобто вона виділяє тепло в результаті утворення сполук з меншою енергією.

Це пояснюється стійкістю утворених СН-зв'язків, які потребують більше енергії для їх подальшого розриву, ніж вимагає НН зв’язок молекулярного водню.

З іншого боку, гідрування завжди спочатку передбачає розрив зв'язку HH. Цей розрив може бути гомолітичним, як це відбувається у багатьох випадках:

HH => H ∙ + ∙ H

Або гетеролітичні, які можуть виникати, наприклад, коли оксид цинку, ZnO, гідрогенізується:

HH => H ⁺ + H ^-

Зауважимо, що різниця між двома розривами полягає в тому, як розподіляються електрони в зв’язку. Якщо вони розподілені рівномірно (ковалентно), кожен Н закінчується, зберігаючи один електрон; тоді як, якщо розподіл є іонним, один закінчується без електронів, Н ⁺ , а інший отримує їх повністю, Н ^- .

Обидва розриву можливі при каталітичному гідруванні, хоча гомолітичний дозволяє поступатися місцем розвитку логічного механізму цього.

Експериментальний

Водень - це газ, а отже, він повинен бути бульбашковим, і слід забезпечити, щоб на поверхні рідини переважав лише він.

З іншого боку, з'єднання, яке підлягає гідрогенізації, повинно бути розчинним у середовищі, будь то вода, спирт, ефір, складні ефіри або рідкий амін; інакше гідрування буде протікати дуже повільно.

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

При каталітичному гідруванні часто використовують тонкорозподілені метали нікелю, паладію, платини або родію, які нерозчинні майже у всіх органічних розчинниках. Тому будуть дві фази: рідка фаза з розчиненою сполукою та воднем і тверда фаза каталізатора.

Ці метали забезпечують реакцію водню та сполуки на їх поверхні таким чином, що прискорюється розрив зв'язків.

Так само вони зменшують дифузійний простір виду, збільшуючи кількість ефективних молекулярних зіткнень. Мало того, але навіть реакція відбувається всередині пор металу.

Типи

Однорідний

Ми говоримо про однорідне каталітичне гідрування, коли реакційна середовище складається з однієї фази. Використання металів у чистому стані тут не підходить, оскільки вони нерозчинні.

Натомість використовуються металоорганічні сполуки цих металів, які є розчинними та показали високий вихід.

Одним із таких металоорганічних сполук є каталізатор Вілкінсона: трис (трифенілфосфін) хлориду родію, ₃ RhCl. Ці сполуки утворюють комплекс з H ₂ , активуючи його для подальшої реакції додавання до алкену або алкіну.

Гомогенне гідрування представляє набагато більше альтернатив, ніж гетерогенне. Чому? Оскільки хімія органічних металевих сполук в достатку: досить 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 сказано, має дві фази: одну рідку і одну тверду.

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

Каталізатор Ліндлара має таку особливість, що він є недостатнім для гідрування алкенів; Однак це дуже корисно для часткових гідрогенацій, тобто прекрасно працює на алкінах:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Механізм

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

Сіруваті кулі відповідають металевій поверхні, скажімо, платини. Молекула Н ₂ (фіолетовий колір) наближається до поверхні металу, як і тетразаміщений алкен, R ₂ C = CR ₂ .

Н ₂ взаємодіє з електронами, що проходять через атоми металу, і відбувається розрив і утворення тимчасової зв'язку НМ, де М - метал. Цей процес відомий як хемосорбція; тобто адсорбція хімічними силами.

Алкен взаємодіє аналогічно, але зв’язок утворюється його подвійним зв’язком (пунктиром). HH-зв’язок вже дисоціював, і кожен атом водню залишається приєднаним до металу; це робить те ж саме з металевими центрами в металоорганічних каталізаторах, утворюючи проміжний комплекс HMH.

Потім відбувається міграція Н у бік подвійної зв'язку, і це відкривається, утворюючи зв’язок з металом. Потім решта Н зв'язується з іншим вуглецем вихідної подвійної зв'язку, і утворений алкан, R ₂ HC-CHR ₂ , нарешті вивільняється .

Цей механізм буде повторюватися стільки разів, скільки потрібно, поки всі Н ₂ повністю не відреагують.

Список літератури

1. Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. (2011 р.). Органічна хімія. Аміни. (10- ^е видання.) Wiley Plus.
2. Кері Ф. (2008). Органічна хімія. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
3. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
4. Лев Дж. (Другий). Каталітичне гідрування алкенів. Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
5. Джонс Д. (2018). Що таке каталітичне гідрування? - Механізм та реакція. Вивчення. Відновлено з: study.com