UWODORNIENIE KATALITYCZNE: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE I MECHANIZM - CHEMIA - 2026

Katalityczne uwodornienie jest reakcją, która cząsteczkowy wodór dodaje się do związku, przy wyższych prędkościach. Nie tylko musi H ₂ cząsteczka pierwszej przerwy jego wiązanie kowalencyjne, ale również, że tak mała, efektywne kolizji między nią, a związek, do którego będzie dodana jest mniej prawdopodobne.

Związek będący receptorem wodoru może być organiczny lub nieorganiczny. Przykłady uwodornienia katalitycznego najczęściej spotyka się w związkach organicznych; w szczególności te, które wykazują aktywność farmakologiczną lub które mają wbudowane metale w swoje struktury (związki metaloorganiczne).

Źródło: Gabriel Bolívar

To, co dzieje się, kiedy H ₂ dodaje się do struktury węgla w opakowaniach? Zmniejsza się jego nienasycenie, to znaczy węgiel osiąga maksymalny stopień prostych wiązań, jakie może utworzyć.

W związku z tym, H- ₂ dodaje się podwójne (C = C) i potrójnych wiązań (C = C); chociaż można go również dodać do grup karbonylowych (C = O).

Tak więc dodane alkeny i alkiny reagują przez katalityczne uwodornienie. Przez powierzchownie analizując każdą strukturę, można przewidzieć, czy będzie to dodać H ₂ po prostu poprzez wykrywanie wiązania podwójne i potrójne.

Charakterystyka uwodornienia katalitycznego

Zdjęcie przedstawia mechanizm tej reakcji. Jednak przed jego opisem konieczne jest odniesienie się do pewnych aspektów teoretycznych.

Powierzchnie szarawych kul reprezentują atomy metalu, które, jak widać, są katalizatorami uwodornienia par excellence.

Wiązanie wodorowe pęka

Po pierwsze uwodornienie jest reakcją egzotermiczną, to znaczy uwalnia ciepło w wyniku tworzenia się związków o niższej energii.

Wyjaśnia to stabilność utworzonych wiązań CH, które wymagają więcej energii do ich późniejszego zerwania niż wymaga tego wiązanie HH wodoru cząsteczkowego.

Z drugiej strony uwodornienie zawsze obejmuje najpierw zerwanie wiązania HH. To pęknięcie może być homolityczne, jak to ma miejsce w wielu przypadkach:

HH => H ∙ + ∙ H

Lub heterolityczny, który może wystąpić na przykład, gdy tlenek cynku, ZnO, jest uwodorniony:

HH => H ⁺ + H ^-

Zauważ, że różnica między dwoma przerwami polega na tym, jak rozmieszczone są elektrony w wiązaniu. Jeśli są rozłożone równomiernie (kowalencyjnie), każdy H w końcu zachowuje jeden elektron; podczas gdy jeśli rozkład jest jonowy, jeden kończy się bez elektronów, H ⁺ , a drugi zyskuje je całkowicie, H ^- .

Obie przerwy są możliwe w uwodornieniu katalitycznym, chociaż homolityczny pozwala ustąpić miejsca opracowaniu logicznego mechanizmu tego procesu.

Eksperymentalny

Wodór jest gazem, dlatego należy go barbotować i upewnić się, że tylko on dominuje na powierzchni cieczy.

Z drugiej strony uwodorniany związek musi być rozpuszczony w środowisku, czy to w wodzie, alkoholu, eterze, estrach lub ciekłej aminie; w przeciwnym razie uwodornianie przebiegałoby bardzo wolno.

Po rozpuszczeniu uwodornianego związku, w środowisku reakcji musi znajdować się również katalizator. Będzie to odpowiedzialne za przyspieszenie reakcji.

W uwodornianiu katalitycznym często stosuje się drobno rozdrobnione metale niklu, palladu, platyny lub rodu, które są nierozpuszczalne w prawie wszystkich rozpuszczalnikach organicznych. Dlatego będą dwie fazy: faza ciekła z rozpuszczonym związkiem i wodorem oraz faza stała, czyli z katalizatorem.

Metale te zapewniają swoją powierzchnię dla reakcji wodoru i związku, w taki sposób, że przyspieszone jest zrywanie wiązań.

Podobnie zmniejszają przestrzeń dyfuzyjną gatunku, zwiększając liczbę skutecznych zderzeń molekularnych. Nie tylko to, ale nawet reakcja zachodzi w porach metalu.

Rodzaje

Jednorodny

O homogenicznym uwodornieniu katalitycznym mówimy, gdy medium reakcyjne składa się z jednej fazy. Użycie metali w ich czystym stanie nie pasuje tutaj, ponieważ są one nierozpuszczalne.

Zamiast tego stosuje się związki metaloorganiczne tych metali, które są rozpuszczalne i jak wykazano, mają wysokie wydajności.

Jednym z tych związków metaloorganicznych jest katalizator Wilkinsona: chlorek tris (trifenylofosfino) rodu, ₃ RhCl. Związki te tworzą kompleks z H ₂ , aktywując go przez jego późniejszej reakcji addycji do alkenu lub alkinu.

Homogeniczne uwodornianie przedstawia znacznie więcej alternatyw niż heterogeniczne. Czemu? Ponieważ chemia jest związkami metaloorganicznymi jest mnóstwo: wystarczy zmienić metal (Pt, Pd, Rh, Ni) i ligandy (cząsteczki organiczne lub nieorganiczne połączone z centrum metalu), aby otrzymać nowy katalizator.

Heterogeniczny

Heterogeniczne uwodornianie katalityczne, jak już wspomniano, ma dwie fazy: jedną ciecz i jedną stałą.

Oprócz katalizatorów metalicznych istnieją inne, które składają się ze stałej mieszaniny; na przykład katalizator Lindlara, który składa się z platyny, węglanu wapnia, octanu ołowiu i chinoliny.

Szczególną cechą katalizatora Lindlara jest to, że jest on niewystarczający do uwodornienia alkenów; Jest jednak bardzo przydatny do częściowego uwodornienia, czyli doskonale działa na alkinach:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Mechanizm

Zdjęcie przedstawia mechanizm katalitycznego uwodornienia przy użyciu sproszkowanego metalu jako katalizatora.

Szarawe kule odpowiadają metalicznej powierzchni, powiedzmy, platyny. H ₂ cząsteczka (fiolet) zbliża się do powierzchni metalu, tak samo jak tetrapodstawione alken, R ₂ C = CR ₂ .

H ₂ oddziałuje z elektronami przechodzącymi przez atomy metalu i następuje zerwanie i utworzenie tymczasowego wiązania HM, w którym M jest metalem. Ten proces jest znany jako chemisorpcja; to znaczy adsorpcja przez siły chemiczne.

Alken oddziałuje w podobny sposób, ale wiązanie tworzy podwójne wiązanie (linia przerywana). Wiązanie HH już się rozpadło i każdy atom wodoru pozostaje związany z metalem; robi to samo z metalowymi centrami w katalizatorach metaloorganicznych, tworząc pośredni kompleks HMH.

Następnie następuje migracja H w kierunku wiązania podwójnego, która otwiera się tworząc wiązanie z metalem. Pozostały H wiąże się następnie z drugim węglem pierwotnego wiązania podwójnego, a wytworzony alkan, R ₂ HC-CHR ₂ , jest ostatecznie uwalniany .

Mechanizm ten można powtarzać tyle razy, ile jest to konieczne, aż do całkowitego H ₂ całkowicie przereagował.

Bibliografia

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. Aminy. (10 ^th Edition.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Chemia organiczna. (Wydanie szóste). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (nd). Katalityczne uwodornienie alkenów. Chemistry LibreTexts. Odzyskane z: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Co to jest uwodornienie katalityczne? - Mechanizm i reakcja. Badanie. Odzyskany z: study.com