KATALITIČNO HIDROGENIRANJE: ZNAČILNOSTI, VRSTE IN MEHANIZMI - KEMIJA - 2026

Katalitskim hidrogeniranjem , je reakcija, ki je molekulska vodik dodamo k spojini pri višjih hitrostih. Ne samo, da mora biti H ₂ molekula najprej prekiniti svojo kovalentno vez, ampak tudi, da so tako majhne, učinkovita trki med njo in spojine, ki se bo dodana je manj verjetno.

Receptorska vodikova spojina je lahko organska ali anorganska. Primeri katalitičnega hidrogeniranja najpogosteje najdemo v organskih spojinah; zlasti tiste, ki kažejo farmakološko delovanje ali ki imajo v svojih strukturah kovine (organometalne spojine).

Vir: Gabriel Bolívar

Kaj se zgodi, ko H ₂ se doda na strukturo ogljika pakiran? Njegova nenasičenost se zmanjšuje, torej ogljik doseže največjo stopnjo preprostih vezi, ki jih lahko tvori.

Zato H ₂ se doda dvojno (C = C) in trojne vezi (C = C); čeprav ga lahko dodamo tudi karbonilnim skupinam (C = O).

Tako dodani alkeni in alkini reagirajo s katalitičnim hidrogeniranjem. Z površno analiziranje vsako strukturo, je mogoče predvideti, ali bo dodati H ₂ samo z odkrivanjem dvojne in trojne vezi.

Značilnosti katalitičnega hidrogeniranja

Slika prikazuje mehanizem te reakcije. Vendar pa se je treba pred opisovanjem lotiti nekaterih teoretičnih vidikov.

Površine sivkastih kroglic predstavljajo kovinske atome, ki so, kot bomo videli, katalizatorji hidrogenacije par excellence.

Vodikova vez se pretrga

Za začetek je hidrogenacija eksotermična reakcija, torej sprošča toploto kot rezultat tvorbe spojin z nižjo energijo.

To je razloženo s stabilnostjo nastalih CH-vezi, ki potrebujejo več energije za njihovo nadaljnje razpadanje, kot zahteva HH vez molekularnega vodika.

Po drugi strani pa hidrogeniranje vedno najprej pretrga HH vez. Ta ruptura je lahko homolitična, kot se zgodi v mnogih primerih:

HH => H ∙ + ∙ H

Ali heterolytic, ki se lahko pojavi na primer pri hidrogeniranju cinkovega oksida, ZnO:

HH => H ⁺ + H ^-

Upoštevajte, da je razlika med dvema prelomama v tem, kako se elektroni v vezi porazdelijo. Če so enakomerno razporejeni (kovalentno), vsak H na koncu ohrani en elektron; medtem ko je porazdelitev ionska, ena konča brez elektronov, H ⁺ , druga pa jih v celoti pridobi, H ^- .

Obe prekinitvi sta možni pri katalitični hidrogenaciji, čeprav homolitična omogoča, da se pot temu razvije logični mehanizem.

Eksperimentalno

Vodik je plin, zato ga je treba mehurčkati in zagotoviti je treba, da na površini tekočine prevladuje le on.

Po drugi strani je treba spojino, ki jo je treba hidrogenirati, solubilizirati v mediju, naj bo to voda, alkohol, eter, estri ali tekoči amin; sicer bi hidrogeniranje potekalo zelo počasi.

Ko se spojina, ki jo je treba hidrogenirati, raztopi, mora biti v reakcijskem mediju tudi katalizator. To bo odgovorno za pospešitev hitrosti reakcije.

Pri katalitičnem hidrogeniranju se običajno uporabljajo fino razdeljene kovine niklja, paladija, platine ali rodija, ki so netopne v skoraj vseh organskih topilih. Zato bosta dve fazi: tekoča faza z raztopljeno spojino in vodikom in trdna faza katalizatorja.

Te kovine nudijo površino vodiku in spojini, da reagirata, in sicer tako, da se prekine vezi.

Prav tako zmanjšujejo difuzijski prostor vrste in povečajo število učinkovitih molekulskih trkov. Ne samo to, ampak celo reakcija poteka znotraj pore kovine.

Vrste

Homogena

Govorimo o homogeni katalitični hidrogenaciji, kadar reakcijski medij je sestavljen iz ene faze. Uporaba kovin v čistem stanju jim ne ustreza, saj so netopne.

Namesto tega se uporabljajo organske kovinske spojine teh kovin, ki so topne in za katere se je izkazalo, da imajo velik izkoristek.

Ena od teh organometalnih spojin je Wilkinsonov katalizator: tris (trifenilfosfin) rodijev klorid, ₃ RhCl. Te spojine se tvori kompleks s H ₂ , vklopom za nadaljnjo reakcijo adicije na alken ali alkin.

Homogena hidrogenacija predstavlja veliko več alternativ kot heterogena. Zakaj? Ker je kemija organometalnih spojin v izobilju: dovolj je, da spremenimo kovino (Pt, Pd, Rh, Ni) in ligande (organske ali anorganske molekule, povezane s kovinskim središčem), da dobimo nov katalizator.

Heterogena

Kot je bilo omenjeno, ima heterogena katalitična hidrogenacija dve fazi: ena tekoča in ena trdna.

Poleg kovinskih katalizatorjev obstajajo še drugi, ki so sestavljeni iz trdne mešanice; na primer Lindlarjev katalizator, ki je sestavljen iz platine, kalcijevega karbonata, svinčevega acetata in kinolina.

Lindlar-katalizator ima posebnost, da je pomanjkljiv za hidrogenacijo alkenov; Vendar je zelo uporabna za delne hidrogenacije, to je, da odlično deluje na alkine:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Mehanizem

Slika prikazuje mehanizem katalitičnega hidrogeniranja z uporabo kovine v prahu kot katalizatorja.

Sivkaste krogle ustrezajo kovinski površini recimo platine. H ₂ molekula (vijolična barva) približa kovinske površine tako kot tetra substituiran alken, R ₂ , C = CR ₂ .

H ₂ reagira z elektroni, ki teče skozi atomi kovine in prelom in oblikovanje začasnega vezi HM zgodi, kadar je M kovina. Ta postopek je znan kot hemisorpcija; to je adsorpcija s kemičnimi silami.

Alkene deluje na podoben način, vendar vez tvori njegova dvojna vez (črtkana črta). HH vez se je že ločila in vsak atom vodika ostane vezan na kovino; to stori enako s kovinskimi centri v organometalnih katalizatorjih, ki tvorijo vmesni kompleks HMH.

Nato pride do selitve H proti dvojni vezi, ki se odpre in tvori vez s kovino. Preostali H nato veže na drugega ogljika prvotnega dvojne vezi, in proizvedene alkana, R ₂ HC-CHR ₂ , končno sprosti .

Ta mehanizem se ponovi tolikokrat, kot je potrebno, dokler ni ves H ₂ v celoti reagira.

Reference

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10 ^th izdaja.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesta izdaja). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (drugi). Katalitično hidrogeniranje Alkenov. Kemija LibreTexts. Pridobljeno: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Kaj je katalitična hidrogenacija? - Mehanizem in reakcija. Študij. Pridobljeno: study.com