Vlastnosti, typy a mechanismy katalytické hydrogenace

katalytická hydrogenace je reakce, při které se molekulární vodík přidává ke sloučenině při vyšších rychlostech. Molekula H₂ Nejen, že musí nejprve rozbít svou kovalentní vazbu, ale také proto, že je tak malá, že je méně pravděpodobné, že mezi ní a sloučeninou, ke které bude přidána, budou kolize účinnější..

Sloučenina vodíkového receptoru může být organická nebo anorganická. V organických sloučeninách se nachází více příkladů katalytické hydrogenace; zejména ty, které vykazují farmakologickou aktivitu, nebo které mají ve svých strukturách zabudované kovy (organokovové sloučeniny).

Co se stane, když se přidá H₂ na strukturu plnou uhlíku? Snižuje jeho nenasycení, to znamená, že uhlík dosahuje maximálního stupně jednoduchých vazeb, které se mohou tvořit.

Proto H₂ přidává se do dvojitých (C = C) a trojitých (C≡C) vazeb; ačkoli to může také být přidáno k karbonylovým skupinám (C = O) \ t.

Alkeny a alkyny se tedy nechají reagovat katalytickou hydrogenací. Povrchovou analýzou jakékoli struktury lze předpovědět, zda bude přidávat H₂ pouze s detekcí dvojitých a trojitých odkazů.

Index

• 1 Charakteristika katalytické hydrogenace
  • 1.1 Porušení vodíkové vazby
  • 1.2 Experimentální
• 2 Typy
  • 2.1 Homogenní
  • 2.2 Heterogenní
• 3 Mechanismus
• 4 Odkazy

Charakteristika katalytické hydrogenace

Mechanismus této reakce je znázorněn na obrázku. Před popisem je však nutné se zabývat některými teoretickými aspekty.

Povrchy šedivých koulí představují atomy kovů, které, jak bude vidět, jsou katalyzátory hydrogenační par excellence.

Porušení vodíkových vazeb

Pro začátek je hydrogenací exotermní reakce, to znamená, že uvolňuje teplo v důsledku tvorby sloučenin s nižší energií..

To je vysvětleno stabilitou vytvořených C-H vazeb, které vyžadují více energie pro její následné roztržení, než je požadováno vazbou H-H molekulárního vodíku..

Na druhé straně, hydrogenace vždy zahrnuje nejprve rozbití H-H vazby. Toto roztržení může být homolytické, jako v mnoha případech:

H-H => H ^ + H

Nebo heterolítica, která může nastat například při hydrogenaci oxidu zinečnatého, ZnO:

H-H => H⁺ + H^-

Všimněte si, že rozdíl mezi oběma rupturami spočívá v tom, jak jsou elektrony ve vazbě rozděleny. Jestliže oni jsou rozděleni rovnoměrně (kovalentně), každý H skončí zachovat elektron; zatímco jestliže distribuce je ionically, jeden končí bez elektronů, H⁺, a druhý je vyhrává úplně, H^-.

Obě ruptury jsou možné při katalytické hydrogenaci, i když homolytika umožňuje pro to vytvoření logického mechanismu.

Experimentální

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

Na druhé straně musí být sloučenina, která má být hydrogenována, solubilizována v médiu, jako je voda, alkohol, ether, estery nebo kapalný amin; jinak by hydrogenace prošla velmi pomalu.

Jakmile je sloučenina, která má být hydrogenována, rozpuštěna, musí být v reakčním médiu také katalyzátor. To bude odpovídat za urychlení reakce.

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

Tyto kovy přispívají svým povrchem tak, že vodík a sloučenina reagují tak, že se rozruší vazby.

Podobně zmenšují prostor difúze druhu a zvyšují počet účinných molekulárních kolizí. Nejen to, ale i reakce probíhá uvnitř pórů kovu.

Typy

Homogenní

Hovoříme o homogenní katalytické hydrogenaci, když reakční médium sestává z jediné fáze. Není zde prostor pro použití kovů v jejich čistých stavech, 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, [(C₆H₅)₃P]₃RhCl. Tyto sloučeniny tvoří komplex s H₂, jeho aktivaci pro její následnou adiční reakci na alken nebo alkin.

Homogenní hydrogenace představuje mnohem více alternativ než heterogenní. Proč? Vzhledem k tomu, že chemie je organokovová sloučenina je bohatá: stačí změnit kov (Pt, Pd, Rh, Ni) a ligandy (organické nebo anorganické molekuly spojené s kovovým středem), aby se získal nový katalyzátor.

Heterogenní

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

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

Lindlarův katalyzátor má zvláštnost, že je nedostatečný pro hydrogenaci alkenů; nicméně, to je velmi užitečné pro částečné hydrogenations, to je, to funguje výborně na alkynes: \ t

RC≡CR + H₂ => RHC = CHR

Mechanismus

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

Šedé kuličky odpovídají kovovému povrchu, například platině. Molekula H₂ (purpurová barva) se blíží povrchu kovu, jako je tetra substituovaný alken, R₂C = CR₂.

H₂ interaguje s elektrony, které procházejí atomy kovu, a dochází k přerušení a dočasná vazba tvoří H-M, kde M je kov. Tento proces je znám jako chemisorpci; tj. adsorpce chemickými silami.

Alkene interaguje podobným způsobem, ale spojení tvoří jeho dvojnou vazbu (tečkovaná čára). H-H vazba již byla disociována a každý atom vodíku zůstává vázán na kov; stejným způsobem jako u kovových center v organokovových katalyzátorech, přičemž vzniká intermediární komplex H-M-H.

Pak dojde k migraci H na dvojnou vazbu a otevře se vazba s kovem. Potom zbývající H spojí druhý uhlík původní dvojné vazby a vyrobený alkan se nakonec uvolní, R₂HC-CHR₂.

Tento mechanismus se bude opakovat tolikrát, kolikrát je to nutné, až do všech H₂ reagovali zcela.

Odkazy

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Organická chemie. Aminy (10)^th vydání.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Organická chemie (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
3. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chemie (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (s.f.). Katalytická hydrogenace alkenů. Chemie LibreTexts. Zdroj: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Co je katalytická hydrogenace? - Mechanismus a reakce. Studie. Zdroj: study.com