Характеристики, типы и механизм каталитического гидрирования

каталитическое гидрирование является реакцией, с помощью которой молекулярный водород добавляют к соединению с более высокими скоростями. Молекула Н₂ он должен не только сначала разорвать свою ковалентную связь, но также, поскольку он настолько мал, эффективные столкновения между ним и соединением, к которому он будет добавлен, менее вероятны..

Соединение рецептора водорода может быть органическим или неорганическим. В органических соединениях можно найти больше примеров каталитического гидрирования; особенно те, которые проявляют фармакологическую активность или которые включили металлы в свои структуры (металлоорганические соединения).

Что происходит при добавлении H₂ к структуре, полной углерода? Это уменьшает его ненасыщенность, то есть углерод достигает максимальной степени простых связей, которые могут образовывать.

Поэтому Н₂ он добавляется к двойным (C = C) и тройным (C≡C) связям; хотя он также может быть добавлен к карбонильным группам (C = O).

Таким образом, алкены и алкины реагируют каталитическим гидрированием. Поверхностно анализируя любую структуру, можно предсказать, добавит ли она H₂ только обнаружение двойных и тройных ссылок.

индекс

• 1 Характеристики каталитического гидрирования
  • 1.1 Разрывы водородной связи
  • 1.2 Экспериментальный
• 2 типа
  • 2.1 Однородный
  • 2.2 Гетерогенный
• 3 Механизм
• 4 Ссылки

Характеристики каталитического гидрирования

Механизм этой реакции показан на рисунке. Тем не менее, необходимо рассмотреть некоторые теоретические аспекты, прежде чем описать его.

Поверхности сероватых сфер представляют собой металлические атомы, которые, как будет видно, являются катализаторами гидрирования по преимуществу.

Разрывы водородных связей

Для начала, гидрогенизация является экзотермической реакцией, то есть она выделяет тепло в результате образования соединений с более низкой энергией..

Это объясняется стабильностью образующихся связей С-Н, которые требуют большего количества энергии для последующего разрыва, чем требуется для связи Н-Н молекулярного водорода..

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

H-H => H ∙ + ∙ H

Или гетеролитика, которая может возникнуть, например, при гидрировании оксида цинка, ZnO:

H-H => H⁺ + H^-

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

Оба разрыва возможны при каталитическом гидрировании, хотя гомолитический позволяет разработать логический механизм для этого.

экспериментальный

Водород является газом, и поэтому его необходимо барботировать и гарантировать, что только он преобладает на поверхности жидкости.

С другой стороны, гидрируемое соединение должно быть растворено в среде, будь то вода, спирт, эфир, сложные эфиры или жидкий амин; в противном случае гидрирование прошло бы очень медленно.

Как только гидрируемое соединение растворяется, в реакционной среде также должен присутствовать катализатор. Это будет отвечать за ускорение реакции.

В каталитическом гидрировании обычно используются тонкодисперсные металлы никеля, палладия, платины или родия, которые нерастворимы практически во всех органических растворителях. Следовательно, будет две фазы: жидкая фаза с растворенным соединением и водородом, и твердая фаза - фаза катализатора..

Эти металлы вносят свою поверхность так, что водород и соединение реагируют таким образом, что разрывы связей ускоряются..

Кроме того, они уменьшают пространство диффузии видов, увеличивая количество эффективных молекулярных столкновений. Не только это, но даже реакция происходит в порах металла.

тип

гомогенный

Говорят о гомогенном каталитическом гидрировании, когда реакционная среда состоит из одной фазы. Здесь нет места для использования металлов в чистом виде, так как 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, [(C₆H₅)₃P]₃RhCl. Эти соединения образуют комплекс с Н₂, активировать его для последующей реакции присоединения к алкену или алкину.

Гомогенное гидрирование представляет гораздо больше альтернатив, чем гетерогенное. Почему? Поскольку химия металлоорганических соединений обильна: достаточно заменить металл (Pt, Pd, Rh, Ni) и лиганды (органические или неорганические молекулы, связанные с металлическим центром), чтобы получить новый катализатор.

гетерогенный

Как было упомянуто, гетерогенное каталитическое гидрирование имеет две фазы: одну жидкую и одну твердую.

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

Особенность катализатора Линдлара заключается в том, что он недостаточен для гидрирования алкенов; однако он очень полезен для частичных гидрогенизаций, то есть он отлично работает на алкинах:

RC≡CR + H₂ => RHC = CHR

механизм

На изображении показан механизм каталитического гидрирования с использованием измельченного металла в качестве катализатора.

Сероватые сферы соответствуют металлической поверхности, скажем, платины. Молекула Н₂ (фиолетовый цвет) приближается к металлической поверхности, как тетразамещенный алкен, R₂C = CR₂.

H₂ взаимодействует с электронами, которые проходят через атомы металла, и происходит разрыв, и временная связь образует Н-М, где М - металл. Этот процесс известен как хемосорбция; то есть адсорбция химическими силами.

Алкен взаимодействует аналогичным образом, но связь образует его с помощью двойной связи (пунктирная линия). Н-Н связь уже диссоциирована, и каждый атом водорода остается связанным с металлом; так же, как это происходит с металлическими центрами в металлоорганических катализаторах, образуя промежуточный комплекс H-M-H.

Затем происходит миграция Н к двойной связи, и она открывается, образуя связь с металлом. Затем оставшийся Н присоединяется к другому углероду исходной двойной связи, и полученный алкан, наконец, высвобождается, R₂HC-CHR₂.

Этот механизм будет повторяться столько раз, сколько необходимо, пока все Н₂ отреагировали полностью.

ссылки

1. Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10^го издание.). Wiley Plus.
2. Кэри Ф. (2008). Органическая химия (Шестое издание). Mc Graw Hill.
3. Дрожь и Аткинс. (2008). Неорганическая химия (Четвертое издание). Mc Graw Hill.
4. Лью Дж. (С.ф.). Каталитическое гидрирование алкенов. Химия LibreTexts. Получено от: chem.libretexts.org
5. Джонс Д. (2018). Что такое каталитическая гидрогенизация? - Механизм и реакция. Исследование. Получено с: study.com