KATALYYTTINEN HYDRAUS: OMINAISUUDET, TYYPIT JA MEKANISMI - KEMIA - 2026

Katalyyttinen hydraus on reaktio, joka molekulaarista vetyä lisätään yhdisteen suuremmilla nopeuksilla. Sen lisäksi, että H ₂ -molekyylin ensimmäinen tauko sen kovalenttinen sidos, mutta myös, on niin pieni, tehokas törmäyksiä sen ja yhdisteen, johon se lisätään ovat vähemmän todennäköisesti.

Vetyreseptoriyhdiste voi olla joko orgaaninen tai epäorgaaninen. Esimerkkejä katalyyttisestä hydrauksesta löytyy useimmiten orgaanisista yhdisteistä; erityisesti sellaisia, joilla on farmakologista aktiivisuutta tai joiden rakenteisiin on sisällytetty metalleja (organometalliset yhdisteet).

Lähde: Gabriel Bolívar

Mitä tapahtuu, kun H ₂ lisätään hiilellä pakattuun rakenteeseen? Sen tyydyttymättömyys vähenee, ts. Hiili saavuttaa suurimman mahdollisen vaiheen yksinkertaisia ​​sidoksia, joita se voi muodostaa.

Näin ollen, H ₂ lisätään kaksinkertainen (C = C) ja kolmen (C = C) sidoksia; vaikka sitä voidaan lisätä myös karbonyyliryhmiin (C = O).

Siten lisätyt alkeenit ja alkyylit reagoivat katalyyttisellä hydrauksella. Mukaan pintapuolisesti analysoimalla mikä tahansa rakenne, se voidaan ennustaa, onko se lisää H ₂ vain havaitsemalla kaksois- ja kolmoissidoksia.

Katalyyttisen vedyn ominaisuudet

Kuvassa näkyy tämän reaktion mekanismi. Joitakin teoreettisia näkökohtia on kuitenkin käsiteltävä ennen niiden kuvaamista.

Harmahtavien pallojen pinnat edustavat metallisia atomeja, jotka, kuten nähdään, ovat hydrauksen katalyyttejä par excellence.

Vety sidos katkeaa

Ensinnäkin hydraus on eksoterminen reaktio, ts. Se vapauttaa lämpöä alhaisemman energian yhdisteiden muodostumisen seurauksena.

Tämä selittyy muodostuneiden CH-sidosten stabiilisuudella, jotka vaativat enemmän energiaa niiden myöhempään murtumiseen kuin molekyylin vedyn HH-sidos vaatii.

Toisaalta vedyttämiseen sisältyy aina ensin HH-sidoksen katkeaminen. Tämä repeämä voi olla homolyyttinen, kuten tapahtuu monissa tapauksissa:

HH => H ∙ + ∙ H

Tai heterolyyttinen, jota voi tapahtua esimerkiksi sinkkioksidin (ZnO) hydrattaessa:

HH => H ⁺ + H ^-

Huomaa, että ero kahden tauon välillä on siinä, kuinka sidoksen elektronit jakautuvat. Jos ne jakautuvat tasaisesti (kovalenttisesti), kukin H lopulta säästää yhtä elektronia; kun taas jakauma on ioninen, toinen päätyy ilman elektroneja, H ⁺, ja toinen saavuttaa ne kokonaan, H ^-.

Molemmat tauot ovat mahdollisia katalyyttisessä hydrauksessa, vaikka homolyyttinen katkaisu antaa mahdollisuuden kehittää looginen mekanismi tähän.

kokeellinen

Vety on kaasu, ja siksi sitä on kuplattava ja on varmistettava, että vain se vallitsee nesteen pinnalla.

Toisaalta hydrattava yhdiste on liuotettava väliaineeseen, olipa se sitten vesi, alkoholi, eetteri, esterit tai nestemäinen amiini; muuten hydraus etenee hyvin hitaasti.

Kun hydrattava yhdiste on liuennut, reaktioväliaineessa on oltava myös katalyytti. Tämä vastaa reaktion nopeuden kiihdyttämisestä.

Katalyyttisessä hydrauksessa käytetään usein hienojakoisia nikkelin, palladiumin, platinan tai rodiumin metalleja, jotka ovat liukenemattomia lähes kaikkiin orgaanisiin liuottimiin. Siksi on kaksi vaihetta: nestemäinen faasi, jossa yhdiste ja vety on liuennut, ja kiinteä faasi, katalyytin faasi.

Nämä metallit antavat pintaansa vedyn ja yhdisteen reagoida siten, että sidosten murtuminen kiihtyy.

Samoin ne vähentävät lajien diffuusiotilaa lisäämällä tehokkaiden molekyylien törmäysten lukumäärää. Ei vain, mutta jopa reaktio tapahtuu metallin huokosten sisällä.

Tyypit

Homogeeninen

Puhumme homogeenisesta katalyyttisestä hydrauksesta, kun reaktioväliaine koostuu yhdestä faasista. Metallien käyttö niiden puhtaissa olosuhteissa ei sovi tähän, koska ne ovat liukenemattomia.

Sen sijaan käytetään näiden metallien organometallisia yhdisteitä, jotka ovat liukoisia ja joiden on osoitettu olevan suuret saannot.

Yksi näistä organometallisista yhdisteistä on Wilkinsonin katalyytti: tris (trifenyylifosfiini) rodiumkloridi, ₃ RhCl. Nämä yhdisteet muodostavat kompleksin H ₂, aktivoimalla se sen jälkeen lisäämällä reaktion alkeenit tai alkyynit.

Homogeeninen hydraus tarjoaa paljon enemmän vaihtoehtoja kuin heterogeeninen. Miksi? Koska kemia on metalliorgaanisia yhdisteitä, on runsaasti: uuden katalyytin saamiseksi riittää vaihtamaan metalli (Pt, Pd, Rh, Ni) ja ligandit (orgaaniset tai epäorgaaniset molekyylit, jotka on kytketty metallikeskukseen).

heterogeeninen

Heterogeenisella katalyyttisellä vedyllä, kuten juuri mainittiin, on kaksi vaihetta: yksi neste ja yksi kiinteä.

Metallisten katalyyttien lisäksi on myös muita, jotka koostuvat kiinteästä seoksesta; esimerkiksi Lindlarin katalyytti, joka koostuu platinasta, kalsiumkarbonaatista, lyijyasetaatista ja kinoliinista.

Lindlar-katalysaattorilla on erityisominaisuus, että se puuttuu alkeenien hydraamiseen; Se on kuitenkin erittäin hyödyllinen osittaisissa hydrauksissa, ts. Se toimii erinomaisesti alkyeneillä:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Mekanismi

Kuvassa katalyyttisen vedyn mekanismi käyttämällä jauhettua metallia katalysaattorina.

Harmahtaiset pallot vastaavat esimerkiksi platinan metallipintaa. H ₂ -molekyyli (violetti väri) lähestyy metallipinnalle tekee tetra substituoitu alkeeni, R ₂ C = CR ₂.

H ₂ on vuorovaikutuksessa elektroneja, jotka kulkevat atomit metallin, ja repeämä ja muodostamalla tilapäinen sidos HM tapahtuu, missä M on metalli. Tätä prosessia kutsutaan kemisorptioksi; ts. adsorptio kemiallisten voimien toimesta.

Alkeeni on vuorovaikutuksessa samalla tavalla, mutta sidoksen muodostaa sen kaksoissidos (katkoviiva). HH-sidos on jo dissosioitunut ja kukin vetyatomi pysyy sitoutuneena metalliin; se toimii samalla tavalla metalliorgaanisissa katalyyteissä olevien metallikeskusten kanssa, muodostaen välituotteen HMH-kompleksin.

Sitten tapahtuu H: n siirtyminen kaksoissidosta kohti, ja tämä aukeaa muodostaen sidoksen metallin kanssa. Loput H ja sitten sitoutuu muihin hiili alkuperäisen kaksoissidoksen, ja tuotettu alkaani, R ₂ HC-CHR ₂, vapautuu lopulta.

Tämä mekanismi toistetaan niin monta kertaa kuin on tarpeen, kunnes kaikki H ₂ on täysin reagoinut.

Viitteet

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Orgaaninen kemia. Amiineja. (10 ^th painos.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Orgaaninen kemia. (Kuudes painos). Mc Graw Hill.
3. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (toinen). Alkeenien katalyyttinen hydraus. Kemia LibreTexts. Palautettu osoitteesta: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Mikä on katalyyttinen hydraus? - Mekanismi ja reaktio. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com