КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ГИДРИРОВАНИЕ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДЫ И МЕХАНИЗМ - ХИМИЯ - 2026

Каталитического гидрирования представляет собой реакцию , с помощью которого молекулярный водород добавляют к соединению на более высоких скоростях. Молекула H ₂ должна не только сначала разорвать свою ковалентную связь, но также, поскольку она настолько мала, эффективные столкновения между ней и соединением, к которому она будет добавлена, менее вероятны.

Соединение рецептора водорода может быть органическим или неорганическим. Примеры каталитического гидрирования чаще всего встречаются в органических соединениях; в частности, те, которые обладают фармакологической активностью или которые содержат металлы, включенные в их структуру (металлоорганические соединения).

Источник: Габриэль Боливар

Что происходит, когда H ₂ добавляется к структуре с углеродной насадкой? Его ненасыщенность уменьшается, то есть углерод достигает максимальной степени простых связей, которые он может образовывать.

Следовательно, H ₂ добавляется к двойным (C = C) и тройным (C≡C) связям; хотя он также может быть добавлен к карбонильным группам (C = O).

Таким образом, добавленные алкены и алкины вступают в реакцию каталитического гидрирования. Поверхностно анализируя любую структуру, можно предсказать, будет ли она добавлять H _2, просто обнаружив двойные и тройные связи.

Характеристики каталитического гидрирования

На изображении показан механизм этой реакции. Однако перед его описанием необходимо обратиться к некоторым теоретическим аспектам.

Поверхности сероватых сфер представляют собой металлические атомы, которые, как мы увидим, являются в первую очередь катализаторами гидрирования.

Разрывы водородной связи

Начнем с того, что гидрирование - это экзотермическая реакция, то есть она выделяет тепло в результате образования соединений с более низкой энергией.

Это объясняется стабильностью образующихся связей CH, для последующего разрыва которых требуется больше энергии, чем требуется для связи HH молекулярного водорода.

С другой стороны, гидрирование всегда в первую очередь включает разрыв HH-связи. Этот разрыв может быть гомолитическим, как это бывает во многих случаях:

HH => H ∙ + ∙ H

Или гетеролитический, который может иметь место, например, при гидрировании оксида цинка ZnO:

HH => H ⁺ + H ^-

Обратите внимание, что разница между двумя разрывами заключается в том, как распределяются электроны в связи. Если они распределены равномерно (ковалентно), каждый H в конечном итоге сохраняет один электрон; тогда как если распределение является ионным, один оказывается без электронов, H ⁺ , а другой получает их полностью, H ^- .

Оба разрыва возможны при каталитическом гидрировании, хотя гомолитический позволяет уступить место разработке логического механизма для этого.

экспериментальный

Водород - это газ, и поэтому его необходимо барботировать, и необходимо убедиться, что только он преобладает на поверхности жидкости.

С другой стороны, гидрируемое соединение должно быть солюбилизировано в среде, будь то вода, спирт, простой эфир, сложные эфиры или жидкий амин; в противном случае гидрирование будет происходить очень медленно.

После растворения гидрируемого соединения в реакционной среде также должен присутствовать катализатор. Это будет отвечать за ускорение скорости реакции.

При каталитическом гидрировании обычно используются мелкодисперсные металлы никель, палладий, платина или родий, которые нерастворимы почти во всех органических растворителях. Следовательно, будет две фазы: жидкая фаза с растворенным соединением и водородом и твердая фаза, фаза катализатора.

Эти металлы обеспечивают поверхность для реакции водорода и соединения таким образом, что разрыв связей ускоряется.

Точно так же они уменьшают диффузионное пространство видов, увеличивая количество эффективных столкновений молекул. Не только это, но даже реакция происходит в порах металла.

Типы

гомогенный

Мы говорим о гомогенном каталитическом гидрировании, когда реакционная среда состоит из одной фазы. Использование металлов в чистом виде здесь не подходит, поскольку они нерастворимы.

Вместо этого используются металлоорганические соединения этих металлов, которые растворимы и, как было показано, имеют высокие выходы.

Одним из таких металлоорганических соединений является катализатор Уилкинсона: трис (трифенилфосфин) хлорид родия, ₃ RhCl. Эти соединения образуют комплекс с H ₂ , активируя его для последующей реакции присоединения к алкену или алкину.

Гомогенное гидрирование предлагает гораздо больше альтернатив, чем гетерогенное. Зачем? Поскольку химия металлорганических соединений в изобилии: достаточно изменить металл (Pt, Pd, Rh, Ni) и лиганды (органические или неорганические молекулы, связанные с металлическим центром), чтобы получить новый катализатор.

гетерогенный

Гетерогенно-каталитическое гидрирование, как уже упоминалось, имеет две фазы: жидкую и твердую.

Помимо металлических катализаторов есть другие, которые состоят из твердой смеси; например, катализатор Линдлара, который состоит из платины, карбоната кальция, ацетата свинца и хинолина.

Катализатор Линдлара имеет особенность, заключающуюся в том, что он не подходит для гидрирования алкенов; Однако он очень полезен для частичного гидрирования, то есть отлично работает с алкинами:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Механизм

На изображении показан механизм каталитического гидрирования с использованием металлического порошка в качестве катализатора.

Серые сферы соответствуют металлической поверхности, скажем, платины. Молекула H ₂ (пурпурный цвет) приближается к поверхности металла, как и тетразамещенный алкен, R ₂ C = CR ₂ .

H ₂ взаимодействует с электронами, которые проходят через атомы металла, и происходит разрыв и образование временной связи HM, где M - металл. Этот процесс известен как хемосорбция; то есть адсорбция химическими силами.

Алкен взаимодействует аналогичным образом, но связь образована его двойной связью (пунктирная линия). Связь HH уже диссоциирована, и каждый атом водорода остается связанным с металлом; то же самое происходит с металлическими центрами в металлоорганических катализаторах, образуя промежуточный комплекс HMH.

Затем происходит миграция H в сторону двойной связи, которая открывается, образуя связь с металлом. Оставшийся H затем связывается с другим углеродом исходной двойной связи, и полученный алкан, R ₂ HC-CHR ₂ , наконец, высвобождается .

Этот механизм будет повторяться столько раз, сколько необходимо, пока весь H ₂ полностью не прореагирует.

Ссылки

1. Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10- ^е изд.). Wiley Plus.
2. Кэри Ф. (2008). Органическая химия. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.
3. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
4. Лью Дж. (Б. Д.). Каталитическое гидрирование алкенов. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
5. Джонс Д. (2018). Что такое каталитическое гидрирование? - Механизм и реакция. Учиться. Получено с: study.com