Katalitske lastnosti hidrogeniranja, vrste in mehanizmi

The katalitsko hidrogeniranje je reakcija, pri kateri se molekularni vodik doda spojini pri višjih hitrostih. Molekula H₂ ne samo, da mora najprej prekiniti svojo kovalentno vez, temveč tudi, ker je tako majhna, so manj verjetni učinkoviti trki med njo in spojino, ki ji bo dodana..

Spojina vodikovega receptorja je lahko organska ali anorganska. V organskih spojinah so tam, kjer je najdenih več primerov katalitskega hidrogeniranja; zlasti tiste, ki predstavljajo farmakološko aktivnost, ali ki so v svoje strukture vključile kovine (organokovinske spojine).

Kaj se zgodi, ko dodamo H₂ v strukturo, polno ogljika? Zmanjšuje njegovo nenasičenost, kar pomeni, da ogljik doseže najvišjo stopnjo enostavnih vezi, ki se lahko oblikujejo.

Zato je H₂ doda se dvojnim (C = C) in trojnim (C≡C) vezi; čeprav se lahko doda tudi karbonilnim skupinam (C = O).

Tako alkene in alkine reagirajo s katalitskim hidrogeniranjem. Z površinsko analizo katere koli strukture je mogoče predvideti, ali bo dodala H₂ s samo odkrivanjem dvojnih in trojnih povezav.

Indeks

• 1 Značilnosti katalitskega hidrogeniranja
  • 1.1 Zlomi vodikove vezi
  • 1.2 Eksperimentalno
• 2 Vrste
  • 2.1 Homogena
  • 2.2 Heterogen
• 3 Mehanizem
• 4 Reference

Značilnosti katalitskega hidrogeniranja

Mehanizem te reakcije je prikazan na sliki. Vendar pa je treba pred opisovanjem obravnavati nekatere teoretične vidike.

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

Zlomi vodikove vezi

Za začetek je hidrogenacija eksotermna reakcija, to pomeni, da sprosti toploto kot posledico nastajanja spojin z nižjo energijo..

To je mogoče razložiti s stabilnostjo nastalih C-H vezi, ki zahtevajo več energije za njeno nadaljnje pretrganje, kot jo zahteva H-H vez molekularnega vodika..

Po drugi strani hidrogeniranje vedno vključuje prvo prekinitev H-H vezi. Ta ruptura je lahko homolitična, kot v mnogih primerih:

H-H => H + + H

Ali heterolítica, ki se lahko pojavi, na primer, kadar je cinkov oksid hidrogeniran, ZnO:

H-H => H⁺ + H^-

Upoštevajte, da razlika med obema razpokama leži v tem, kako so elektroni v vezi razdeljeni. Če so enakomerno porazdeljeni (kovalentno), vsak H konča z ohranjanjem elektrona; če je porazdelitev ionsko, se konča brez elektronov, H⁺, drugi pa jih popolnoma osvoji, H^-.

Oba pretrganja sta mogoča pri katalitskem hidrogeniranju, čeprav homolitik omogoča razvoj logičnega mehanizma za to.

Eksperimentalno

Vodik je plin, zato ga je treba mehurčiti in zagotoviti, da prevladuje samo na površini tekočine.

Po drugi strani pa mora biti spojina, ki jo je treba hidrogenirati, solubilizirana v mediju, to je voda, alkohol, eter, estri ali tekoči amin; sicer bi hidrogeniranje potekalo zelo počasi.

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

Pri katalitskem hidrogeniranju se običajno uporabljajo fino porazdeljene kovine niklja, paladija, platine ali rodija, ki so netopne v skoraj vseh organskih topilih. Zato bosta dve fazi: tekoča faza z raztopljeno spojino in vodik ter trdna faza, kot katalizator.

Te kovine prispevajo k njihovi površini, tako da reagirajo vodik in spojina, tako da se prelomi vezi agilizirajo.

Prav tako zmanjšujejo prostor difuzije vrst, kar povečuje število učinkovitih molekularnih trkov. Ne samo to, ampak tudi reakcija poteka v porah kovine.

Vrste

Homogena

Govori se o homogeni katalitski hidrogenaciji, kadar je reakcijski medij sestavljen iz ene same faze. Tukaj ni prostora za uporabo kovin v njihovih čistih stanjih, ker so netopne.

Namesto tega se uporabljajo organokovinske spojine teh kovin, ki so topne, in dokazano imajo visoke donose..

Ena od teh organokovinskih spojin je Wilkinsonov katalizator: tris (trifenilfosfin) rodijev klorid, [(C₆H₅)₃P]₃RhCl. Te spojine tvorijo kompleks s H₂, aktiviranje za kasnejšo adicijsko reakcijo na alken ali alkin.

Homogeno hidrogeniranje predstavlja veliko več alternativ kot heterogeno. Zakaj? Ker je kemija organometalne spojine obilna: dovolj je, da se kovino (Pt, Pd, Rh, Ni) in ligandi (organske ali anorganske molekule, povezane s kovinskim središčem) spremeni, da se dobi nov katalizator..

Heterogen

Heterogeno katalitsko hidrogeniranje, kot je bilo pravkar omenjeno, ima dve fazi: eno tekočino in eno trdno snov.

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

Lindlarjev katalizator ima posebnost, da je pomanjkljiv za hidrogeniranje alkenov; vendar je zelo koristen za delno hidrogeniranje, kar pomeni, da odlično deluje na alkinih:

RC≡CR + H₂ => RHC = CHR

Mehanizem

Na sliki je prikazan mehanizem katalitskega hidrogeniranja z uporabo praškaste kovine kot katalizatorja.

Sivkaste krogle ustrezajo kovinski površini, na primer, platine. Molekula H₂ (vijolična barva) se približuje kovinski površini, kot je tetra substituiran alken, R₂C = CR₂.

H₂ medsebojno deluje z elektroni, ki tečejo skozi atome kovin, in pride do prekinitve in začasne vezi tvori H-M, kjer je M kovina. Ta postopek je znan kot kemosorpcija; to je adsorpcija s kemičnimi silami.

Alken sodeluje na podoben način, vendar ga povezava oblikuje z dvojno vezjo (pikčasto črto). H-H vez je že disociiran in vsak vodikov atom ostaja vezan na kovino; na enak način kot s kovinskimi centri v organokovinskih katalizatorjih, ki tvorijo vmesni kompleks H-M-H.

Potem pride do migracije H v dvojno vez, ki se odpre in tvori vez s kovino. Nato se preostali H pridruži drugemu ogljiku prvotne dvojne vezi in končno se sprosti nastali alkan, R₂HC-CHR₂.

Ta mehanizem se ponovi tolikokrat, kolikor je potrebno, dokler se vsi H₂ popolnoma reagirali.

Reference

1. Graham Solomons T.W., 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. (s.f.). Katalitska hidrogenacija alkenov. Kemija LibreTexts. Vzpostavljeno iz: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Kaj je katalitska hidrogenacija? - Mehanizem in reakcija. Študija. Vzpostavljeno iz: study.com