Charakterystyka, rodzaje i mechanizm katalitycznego uwodornienia

The uwodornienie katalityczne jest reakcją, w której wodór cząsteczkowy jest dodawany do związku przy wyższych prędkościach. Cząsteczka H₂ nie tylko musi najpierw zerwać wiązanie kowalencyjne, ale także, ponieważ jest tak mały, mniej prawdopodobne są skuteczne kolizje między nim a związkiem, do którego zostaną dodane..

Związek receptorowy wodoru może być organiczny lub nieorganiczny. W związkach organicznych występuje więcej przykładów katalitycznego uwodornienia; zwłaszcza te, które wykazują aktywność farmakologiczną lub które zawierają metale w swoich strukturach (związki metaloorganiczne).

Co się dzieje, gdy dodaje się H₂ do struktury pełnej węgla? Zmniejsza jego nienasycenie, czyli węgiel osiąga maksymalny stopień prostych wiązań, które mogą się tworzyć.

Dlatego H₂ jest dodawany do obligacji podwójnych (C = C) i potrójnych (C≡C); chociaż można go również dodać do grup karbonylowych (C = O).

Zatem alkeny i alkiny poddaje się reakcji przez katalityczne uwodornienie. Przez powierzchowną analizę dowolnej struktury można przewidzieć, czy doda ona H₂ z wykrywaniem tylko podwójnych i potrójnych łączy.

Indeks

• 1 Charakterystyka uwodornienia katalitycznego
  • 1.1 Pęknięcia wiązania wodorowego
  • 1.2 Eksperymentalny
• 2 typy
  • 2.1 Jednorodny
  • 2.2 Niejednorodny
• 3 Mechanizm
• 4 odniesienia

Charakterystyka uwodornienia katalitycznego

Mechanizm tej reakcji jest pokazany na obrazku. Jednak przed opisaniem go należy zająć się pewnymi aspektami teoretycznymi.

Powierzchnie szarych sfer reprezentują atomy metaliczne, które, jak zobaczymy, są katalizatorami parowania doskonałości.

Zerwanie wiązania wodorowego

Na początek uwodornienie jest reakcją egzotermiczną, to znaczy, że uwalnia ciepło w wyniku tworzenia związków o niższej energii.

Tłumaczy się to stabilnością utworzonych wiązań C-H, które wymagają więcej energii do późniejszego zerwania niż to wymagane przez wiązanie H-H wodoru cząsteczkowego..

Z drugiej strony uwodornienie zawsze obejmuje najpierw przerwanie wiązania H-H. To pęknięcie może być homolityczne, jak w wielu przypadkach:

H-H => H ∙ + ∙ H

Lub heterolítica, która może wystąpić, na przykład, gdy tlenek cynku jest uwodorniony, ZnO:

H-H => H⁺ + H^-

Zauważ, że różnica między dwoma pęknięciami polega na rozkładzie elektronów w wiązaniu. Jeśli są one równomiernie rozłożone (kowalencyjnie), każdy H kończy ochronę elektronu; podczas gdy rozkład jest jonowy, jeden kończy się bez elektronów, H⁺, a drugi wygrywa je całkowicie, H^-.

Oba pęknięcia są możliwe w katalitycznym uwodornieniu, chociaż homolityczny umożliwia opracowanie logicznego mechanizmu tego.

Eksperymentalny

Wodór jest gazem, a zatem musi być barbotowany i gwarantowany, że tylko jego powierzchnia dominuje na powierzchni cieczy.

Z drugiej strony, związek, który ma być uwodorniony, musi być rozpuszczony w ośrodku, czy to w wodzie, alkoholu, eterze, estrach lub ciekłej aminie; w przeciwnym razie uwodornienie przejdzie bardzo powoli.

Po rozpuszczeniu związku, który ma być uwodorniony, w ośrodku reakcji musi również znajdować się katalizator. Będzie to odpowiedzialne za przyspieszenie szybkości reakcji.

W uwodornieniu katalitycznym stosuje się zwykle 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, ta z katalizatora.

Metale te tworzą swoją powierzchnię tak, że wodór i związek reagują w taki sposób, że pęknięcia wiązań ulegają agilizacji.

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

Typy

Jednorodny

Mówi się o homogenicznym uwodornieniu katalitycznym, gdy ośrodek reakcji składa się z pojedynczej fazy. Tutaj nie ma miejsca na użycie metali w ich czystych stanach, ponieważ są nierozpuszczalne.

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

Jednym z tych związków metaloorganicznych jest katalizator Wilkinsona: chlorek tris (trifenylofosfino) rodu, [(C₆H₅)₃P]₃RhCl. Związki te tworzą kompleks z H₂, aktywowanie go w celu późniejszej reakcji addycji z alkenem lub alkinem.

Jednorodne uwodornienie przedstawia znacznie więcej alternatyw niż heterogeniczne. Dlaczego? Ponieważ chemia to związki metaloorganiczne są obfite: wystarczy zmienić metal (Pt, Pd, Rh, Ni) i ligandy (organiczne lub nieorganiczne cząsteczki związane z centrum metalicznym), aby uzyskać nowy katalizator.

Niejednorodny

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

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

Katalizator Lindlara ma tę szczególną właściwość, że jest niewystarczający do uwodornienia alkenów; jest jednak bardzo przydatny do częściowego uwodornienia, to znaczy działa doskonale na alkinach:

RC≡CR + H₂ => RHC = CHR

Mechanizm

Obraz pokazuje mechanizm katalitycznego uwodornienia z zastosowaniem sproszkowanego metalu jako katalizatora.

Szare kule odpowiadają powierzchni metalicznej, powiedzmy, platyny. Cząsteczka H₂ (kolor purpurowy) zbliża się do powierzchni metalu jak tetra podstawiony alken, R₂C = CR₂.

H₂ oddziałuje z elektronami, które biegną przez atomy metalu, i następuje przerwa i powstaje tymczasowe wiązanie H-M, gdzie M jest metalem. Ten proces jest znany jako chemisorpcja; to znaczy adsorpcja przez siły chemiczne.

Alkeny oddziałują w podobny sposób, ale połączenie tworzy je z podwójnym wiązaniem (linia przerywana). Wiązanie H-H zostało już zdysocjowane i każdy atom wodoru pozostaje związany z metalem; w taki sam sposób jak ma to miejsce w przypadku centrów metalicznych w metaloorganicznych katalizatorach, tworząc pośredni kompleks H-M-H.

Następnie następuje migracja H do wiązania podwójnego i otwiera się tworząc wiązanie z metalem. Następnie pozostały H łączy się z innym węglem oryginalnego wiązania podwójnego, a wytworzony alkan zostaje ostatecznie uwolniony, R₂HC-CHR₂.

Ten mechanizm będzie powtarzany tyle razy, ile będzie to konieczne, aż cały H₂ zareagowali całkowicie.

Referencje

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. Aminy (10^th wydanie.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Chemia organiczna (Szósta edycja). Mc Graw Hill.
3. Shiver i Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (s.f.). Katalityczne uwodornienie Alkenes. Chemia LibreTexts. Źródło: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Czym jest uwodornienie katalityczne? - Mechanizm i reakcja. Studiować Źródło: study.com