Katalitička svojstva hidrogenacije, tipovi i mehanizmi

katalitička hidrogenacija je reakcija kojom se molekulski vodik dodaje spoju pri većim brzinama. Molekula H₂ ne samo da prvo mora razbiti svoju kovalentnu vezu, već i zato što je tako mala, da su manje vjerojatni učinkoviti sudari između njega i spoja na koji će biti dodani..

Spoj vodikovog receptora može biti organski ili anorganski. U organskim spojevima gdje se nalazi više primjera katalitičke hidrogenacije; posebno oni koji predstavljaju farmakološku aktivnost, ili koji su ugrađivali metale u svoje strukture (organometalni spojevi).

Što se događa kada se doda H₂ na strukturu punu ugljika? Smanjuje njegovu nezasićenost, tj. Ugljik dostiže maksimalni stupanj jednostavnih veza koje se mogu formirati.

Dakle, H₂ dodaje se u parove (C = C) i trostruke (C = C) veze; iako se također može dodati karbonilnim skupinama (C = O).

Prema tome, alkeni i alkini reagiraju katalitičkim hidrogeniranjem. Površinski analizirajući bilo koju strukturu, može se predvidjeti hoće li ili ne dodati H₂ s otkrivanjem samo dvostrukih i trostrukih veza.

indeks

• 1 Značajke katalitičke hidrogenacije
  • 1.1 Otpaci vodikove veze
  • 1.2 Eksperimentalno
• 2 Vrste
  • 2.1 Homogena
  • 2.2 Heterogeni
• 3 Mehanizam
• 4 Reference

Značajke katalitičke hidrogenacije

Mehanizam ove reakcije je prikazan na slici. Međutim, prije opisivanja potrebno je razmotriti neke teorijske aspekte.

Površine sivkastih sfera predstavljaju metalne atome koji su, kao što će se vidjeti, katalizatori hidrogenacije par excellence.

Puknuće vodikovih veza

Za početak, hidrogenacija je egzotermna reakcija, tj. Oslobađa toplinu kao rezultat formiranja spojeva niže energije..

To se objašnjava stabilnošću formiranih C-H veza, koje zahtijevaju više energije za njezino naknadno pucanje od onog koje zahtijeva H-H veza molekularnog vodika..

S druge strane, hidrogenacija uvijek uključuje prvo razbijanje H-H veze. Ova ruptura može biti homolitična, kao u mnogim slučajevima:

H-H => H + + H

Ili heterolítica, koja se može pojaviti, na primjer, kada je cinkov oksid hidrogeniran, ZnO:

H-H => H⁺ + H^-

Zapazite da razlika između ta dva ruptura leži u tome kako su elektroni u vezi raspodijeljeni. Ako su jednako raspodijeljeni (kovalentno), svaki H završava očuvanjem elektrona; dok je distribucija ionski, jedan završava bez elektrona, H⁺, a drugi ih u potpunosti osvaja, H^-.

Oba ruptura moguća su u katalitičkoj hidrogenaciji, iako homolitika omogućuje razvoj logičnog mehanizma za to.

eksperimentalan

Vodik je plin, i stoga se mora pjenušati i jamčiti da samo on prevladava na površini tekućine.

S druge strane, spoj koji treba hidrirati mora biti otopljen u mediju, bilo da je voda, alkohol, eter, esteri ili tekući amin; u suprotnom, hidrogenacija bi prolazila vrlo sporo.

Jednom kada se spoj koji se hidrogenizira otopi, u reakcijskom mediju mora postojati i katalizator. To će biti odgovorno za ubrzavanje brzine reakcije.

U katalitičkoj hidrogenaciji obično se koriste fino usitnjeni metali nikla, paladija, platine ili rodija, koji su netopivi u gotovo svim organskim otapalima. Stoga će postojati dvije faze: tekuća faza s otopljenim spojem i vodik, i čvrsta faza, ona katalizatora.

Ovi metali doprinose svojoj površini tako da vodik i spoj reagiraju na takav način da se prekidaju veze.

Isto tako, smanjuju prostor difuzije vrsta, povećavajući broj djelotvornih molekularnih sudara. Ne samo to, već se i reakcija odvija unutar pora metala.

vrsta

homogen

Govori se o homogenom katalitičkom hidrogeniranju kada se reakcijski medij sastoji od jedne faze. Ovdje nema mjesta za uporabu metala u njihovim čistim stanjima, budući da su nerješivi.

Umjesto toga, koriste se organometalni spojevi ovih metala, koji su topljivi i za koje se pokazalo da imaju visoke prinose..

Jedan od tih organometalnih spojeva je Wilkinsonov katalizator: tris (trifenilfosfin) rodij-klorid, [(C₆H₅)₃P]₃RhCI. Ovi spojevi tvore kompleks s H₂, aktiviranje za kasniju reakciju dodavanja alkena ili alkina.

Homogeno hidriranje predstavlja mnogo više alternativa od heterogene. Zašto? Budući da je kemija organometalnih spojeva u izobilju: dovoljno je promijeniti metal (Pt, Pd, Rh, Ni) i ligande (organske ili anorganske molekule povezane s metalnim središtem), kako bi se dobio novi katalizator..

heterogen

Heterogena katalitička hidrogenacija, kao što je upravo spomenuto, ima dvije faze: jednu tekućinu i jednu krutinu.

Osim metalnih katalizatora, postoje i drugi koji se sastoje od krute smjese; na primjer, Lindlar-ov katalizator, koji se sastoji od platine, kalcijevog karbonata, olovnog acetata i kinolina.

Lindlar-ov katalizator ima posebnost da je nedovoljan za hidrogeniranje alkena; međutim, to je vrlo korisno za parcijalne hidrogenacije, to jest, odlično radi na alkinima:

RC≡CR + H₂ = RHC = CHR

mehanizam

Slika prikazuje mehanizam katalitičke hidrogenacije pomoću pulveriziranog metala kao katalizatora.

Sivkaste kugle odgovaraju metalnoj površini, recimo, platine. Molekula H₂ (ljubičasta boja) približava se metalnoj površini poput tetra supstituiranog alkena, R₂C = CR₂.

H₂ u interakciji s elektronima koji prolaze kroz atome metala, i dolazi do prekida i privremene veze formira H-M, gdje je M metal. Taj je proces poznat kao Kemisorpcija; to jest, adsorpcija kemijskih sila.

Alken interagira na sličan način, ali ga veza formira dvostrukom vezom (točkasta crta). H-H veza je već disocirana i svaki atom vodika ostaje vezan za metal; na isti način kao i sa metalnim centrima u organometalnim katalizatorima, formirajući intermedijarni kompleks H-M-H.

Tada dolazi do migracije H u dvostruku vezu, i otvara se formiranjem veze s metalom. Zatim se preostali H spaja s drugim ugljikom izvorne dvostruke veze, a proizvedeni alkan se konačno oslobađa, R₂HC-CHR₂.

Ovaj mehanizam će se ponavljati onoliko puta koliko je potrebno, sve dok svi H₂ reagirali u potpunosti.

reference

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10^th izdanje.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Organska kemija (Šesto izdanje). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (s.f.). Katalitička hidrogenacija alkena. Kemija LibreTexts. Preuzeto s: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Što je katalitička hidrogenacija? - Mehanizam i reakcija. Studija. Preuzeto s: study.com