KATALYTICKÁ HYDROGENACE: VLASTNOSTI, TYPY A MECHANISMUS - CHEMIE - 2026

Katalytická hydrogenace je reakce, kterou je molekulární vodík přidá ke sloučenině při vyšších rychlostech. Nejen musí H ₂ molekula první rozbít jeho kovalentní vazbu, ale také, že je tak malá, rychlá kolize mezi ním a sloučeniny, na které se bude přidán jsou méně pravděpodobné.

Sloučenina vodíkového receptoru může být buď organická nebo anorganická. Příklady katalytické hydrogenace jsou nejčastěji nalezeny v organických sloučeninách; zejména ty, které vykazují farmakologickou aktivitu nebo které mají ve svých strukturách zabudovány kovy (organokovové sloučeniny).

Zdroj: Gabriel Bolívar

Co se stane, když H ₂ se přidá do uhlíkové struktury nabité? Jeho nenasycení klesá, to znamená, že uhlík dosahuje maximálního stupně jednoduchých vazeb, které může tvořit.

Z tohoto důvodu, H ₂ se přidá do dvojité (C = C) a tří (C = C) vazbami; ačkoli to může také být přidáno k karbonylovým skupinám (C = O).

Přidané alkeny a alkiny tedy reagují katalytickou hydrogenací. Od povrchové analýzy jakoukoli strukturu, lze předpovědět, zda se bude přidávat H ₂ jen tím, že detekce dvojné a trojné vazby.

Vlastnosti katalytické hydrogenace

Obrázek ukazuje mechanismus této reakce. Před popisem je však třeba se zabývat některými teoretickými aspekty.

Povrchy šedivé koule představují kovové atomy, které, jak bude vidět, jsou katalyzátory hydrogenační par excellence.

Přerušení vodíkových vazeb

Hydrogenace je exotermická reakce, tj. Uvolňuje teplo v důsledku tvorby sloučenin s nižší energií.

To je vysvětleno stabilitou vytvořených vazeb CH, které pro jejich následné rozbití vyžadují více energie, než vyžaduje vazba HH ​​molekulárního vodíku.

Na druhé straně hydrogenace vždy zahrnuje nejprve přerušení HH vazby. Toto prasknutí může být homolytické, jak se to děje v mnoha případech:

HH => H + + H

Nebo heterolytický, ke kterému může dojít například v případě, že se oxid zinečnatý ZnO hydrogenuje:

HH => H ⁺ + H ^-

Všimněte si, že rozdíl mezi dvěma zlomy spočívá v tom, jak jsou elektrony ve svazku distribuovány. Pokud jsou distribuovány rovnoměrně (kovalentně), každý H skončí tím, že uchová jeden elektron; zatímco jestliže distribuce je iontová, jeden skončí bez elektronů, H ⁺, a jiný získá je úplně, H ^-.

Obě zlomy jsou možné v katalytické hydrogenaci, i když homolytická umožňuje ustoupit vývoji logického mechanismu.

Experimentální

Vodík je plyn, a proto musí být probubláván a musí být zajištěno, že na povrchu kapaliny převládá pouze.

Na druhé straně, hydrogenovaná sloučenina musí být solubilizována v médiu, ať už je to voda, alkohol, ether, estery nebo kapalný amin; jinak by hydrogenace probíhala velmi pomalu.

Jakmile se sloučenina, která má být hydrogenována, rozpustí, musí také existovat katalyzátor v reakčním médiu. To bude odpovědné za urychlení rychlosti reakce.

Při katalytické hydrogenaci se často používají jemně rozdělené kovy niklu, palladia, platiny nebo rhodia, které jsou nerozpustné téměř ve všech organických rozpouštědlech. Proto budou existovat dvě fáze: kapalná fáze s rozpuštěnou sloučeninou a vodíkem a pevná fáze, fáze katalyzátoru.

Tyto kovy poskytují povrch vodíku a sloučenině, aby reagovaly, a to tak, že se urychluje rozrušení vazeb.

Podobně snižují difúzní prostor druhu a zvyšují počet účinných molekulárních srážek. Nejen to, ale i reakce probíhá uvnitř pórů kovu.

Typy

Homogenní

Hovoříme o homogenní katalytické hydrogenaci, když se reakční médium skládá z jediné fáze. Použití kovů v jejich čistých stavech se zde nehodí, protože jsou nerozpustné.

Místo toho se používají organokovové sloučeniny těchto kovů, které jsou rozpustné a bylo prokázáno, že mají vysoké výtěžky.

Jednou z těchto organokovových sloučenin je Wilkinsonův katalyzátor: tris (trifenylfosfin) rhodiumchlorid, ₃ RhCl. Tyto sloučeniny tvoří komplex s H ₂, aktivací jeho následnou adicí na alkenu nebo alkinu.

Homogenní hydrogenace představuje mnohem více alternativ než heterogenních. Proč? Protože chemie je organokovové sloučeniny, je hojná: stačí změnit kov (Pt, Pd, Rh, Ni) a ligandy (organické nebo anorganické molekuly spojené s centrem kovu), abychom získali nový katalyzátor.

Heterogenní

Heterogenní katalytická hydrogenace, jak bylo uvedeno, má dvě fáze: jednu kapalinu a jednu pevnou látku.

Kromě kovových katalyzátorů existují i ​​další látky, které sestávají z pevné směsi; například Lindlarův katalyzátor, který se skládá z platiny, uhličitanu vápenatého, octanu olovnatého a chinolinu.

Lindlarův katalyzátor má tu zvláštnost, že je nedostatečný pro hydrogenaci alkenů; Je však velmi užitečný pro částečné hydrogenace, to znamená, že výborně funguje na alkynech:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Mechanismus

Obrázek ukazuje mechanismus katalytické hydrogenace s použitím práškového kovu jako katalyzátoru.

Šedé koule odpovídají kovovému povrchu platiny. H ₂ molekula (purpurová barva) přístupů kovového povrchu stejně jako tetra substituovaný alken, R ₂ C = CR ₂.

K H ₂ interaguje s elektrony, která probíhají v atomy kovu a prasknutí a tvorba dočasný spoj HM dochází, kde M je kov. Tento proces je známý jako chemisorpce; to znamená adsorpce chemickými silami.

Alkeny interagují podobným způsobem, ale vazba je vytvořena dvojitou vazbou (tečkovanou čarou). HH vazba již disociovala a každý atom vodíku zůstává vázán na kov; to samé dělá s kovovými centry v organokovových katalyzátorech, čímž se vytvoří meziprodukt HMH komplex.

Poté dochází k migraci H směrem k dvojné vazbě, což se otevírá a vytváří vazbu s kovem. Zbývající H se potom váže na jiného uhlíku původního dvojné vazby, a vyrobené alkan, R ₂ HC-CHR ₂, je konečně uvolní.

Tento mechanismus se bude opakovat tolikrát, kolikrát je to nutné, dokud se veškerý H ₂ plně zreagoval.

Reference

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chemie. Amines. (10 ^th edition.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Organická chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (nd). Katalytická hydrogenace alkenů. Chemistry LibreTexts. Obnoveno z: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Co je katalytická hydrogenace? - Mechanismus a reakce. Studie. Obnoveno z: study.com