KATALYTISK HYDROGENERING: KARAKTERISTIKA, TYPER OG MEKANISME - KEMI - 2025

Den katalytiske hydrogenering er den reaktion, hvormed molekylært brint tilsættes til en forbindelse ved højere hastigheder. Ikke blot skal H ₂ molekylet først bryde sin kovalent binding, men også, at være så små, effektive kollisioner mellem det og forbindelsen, som det vil blive tilføjet er mindre sandsynlige.

Hydrogenreceptorforbindelsen kan enten være organisk eller uorganisk. Eksempler på katalytisk hydrogenering findes ofte i organiske forbindelser; især dem, der har farmakologisk aktivitet, eller som har metaller inkorporeret i deres strukturer (organometalliske forbindelser).

Kilde: Gabriel Bolívar

Hvad der sker, når H ₂ tilsættes til en carbon-pakket struktur? Dets umættethed falder, det vil sige, kulstof når den maksimale grad af enkle bindinger, som det kan danne.

Derfor, H ₂ sættes til dobbelt (C = C) og tredobbelt (= C) bindinger; skønt det også kan sættes til carbonylgrupper (C = O).

Således reagerer de tilsatte alkener og alkyner ved katalytisk hydrogenering. Ved overfladisk analyse helst struktur, kan det forudsiges, hvorvidt det vil tilføje H ₂ blot ved at detektere dobbelte og tredobbelte bindinger.

Egenskaber ved katalytisk hydrogenering

Billedet viser mekanismen for denne reaktion. Det er dog nødvendigt at behandle nogle teoretiske aspekter, før det beskrives.

Overfladerne på de grålige sfærer repræsenterer de metalliske atomer, som, som det fremgår, er katalysatorerne for hydrogenering ved excellence.

Hydrogenbinding bryder

Til at begynde med er hydrogenering en eksoterm reaktion, dvs. at den frigiver varme som et resultat af dannelsen af ​​forbindelser med lavere energi.

Dette forklares med stabiliteten af ​​de dannede CH-bindinger, som kræver mere energi til deres efterfølgende brud, end HH-bindingen af ​​molekylært brint kræver.

På den anden side involverer hydrogenering altid brud på HH-bindingen. Dette brud kan være homolytisk, da det sker i mange tilfælde:

HH => H ∙ + ∙ H

Eller heterolytisk, der for eksempel kan forekomme, når zinkoxid, ZnO, hydrogeneres:

HH => H ⁺ + H ^-

Bemærk, at forskellen mellem de to pauser ligger i, hvordan elektronerne i bindingen er fordelt. Hvis de fordeles jævnt (kovalent), ender hvert H med at bevare en elektron; mens fordelingen er ionisk, ender en uden elektroner, H ⁺, og den anden får dem fuldstændigt, H ^-.

Begge pauser er mulige ved katalytisk hydrogenering, skønt den homolytiske giver mulighed for at vige for udviklingen af ​​en logisk mekanisme til dette.

Eksperimentel

Brint er en gas, og det skal derfor bobles, og det skal sikres, at det kun dominerer på væskeoverfladen.

På den anden side skal forbindelsen, der skal hydrogeneres, opløses i et medium, hvad enten det er vand, alkohol, ether, estere eller en flydende amin; ellers ville hydrogeneringen fortsætte meget langsomt.

Når først forbindelsen, der skal hydrogeneres, er opløst, skal der også være en katalysator i reaktionsmediet. Dette vil være ansvarlig for at fremskynde reaktionens hastighed.

Ved katalytisk hydrogenering er der ofte brugt findelte metaller af nikkel, palladium, platin eller rodium, som er uopløselige i næsten alle organiske opløsningsmidler. Derfor vil der være to faser: en flydende fase med forbindelsen og brint opløst og en fast fase, katalysatorens.

Disse metaller giver deres overflade for brintet og forbindelsen til at reagere på en sådan måde, at brud på bindinger accelereres.

På samme måde mindsker de diffusionsrummet for arten, hvilket øger antallet af effektive molekylære kollisioner. Ikke kun det, men endda reaktionen finder sted inde i metalets porer.

typer

homogen

Vi taler om homogen katalytisk hydrogenering, når reaktionsmediet består af en enkelt fase. Brugen af ​​metaller i deres rene tilstande passer ikke her, da de er uopløselige.

I stedet anvendes organometalliske forbindelser af disse metaller, der er opløselige, og det har vist sig at have høje udbytter.

En af disse organometalliske forbindelser er Wilkinsons katalysator: tris (triphenylphosphin) rhodiumchlorid, ₃ RhCl. Disse forbindelser danner et kompleks med H ₂, aktiverer det for dets efterfølgende additionsreaktion til alken eller alkyn.

Homogen hydrogenering præsenterer mange flere alternativer end heterogen. Hvorfor? Fordi kemien er de organometalliske forbindelser er rigelig: det er nok at ændre metallet (Pt, Pd, Rh, Ni) og liganderne (de organiske eller uorganiske molekyler, der er knyttet til metalcentret), for at få en ny katalysator.

heterogene

Heterogen katalytisk hydrogenering har som nævnt to faser: en væske og et fast stof.

Foruden metalliske katalysatorer er der andre, der består af en fast blanding; for eksempel Lindlars katalysator, der består af platin, calciumcarbonat, blyacetat og quinolin.

Lindlar-katalysatoren har den særegenhed, at den er mangelfuld til hydrogenering af alkener; Det er imidlertid meget nyttigt til partielle hydrogeneringer, det vil sige, det fungerer udmærket på alkyner:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Mekanisme

Billedet viser mekanismen for katalytisk hydrogenering under anvendelse af pulveriseret metal som katalysator.

De grålige sfærer svarer til den metalliske overflade på fx platin. H ₂ molekyle (lilla farve) nærmer metaloverfladen som gør tetra substitueret alken, R ₂ C = CR ₂.

De H ₂ samvirker med de elektroner, der igennem atomerne af metallet, og et brud og dannelse af en midlertidig binding HM forekommer, hvor M er metallet. Denne proces er kendt som kemisorption; det vil sige en adsorption af kemiske kræfter.

Alken interagerer på en lignende måde, men bindingen dannes af dens dobbeltbinding (stiplet linje). HH-bindingen er allerede dissocieret, og hvert hydrogenatom forbliver bundet til metallet; det gør det samme med metalcentre i organometalliske katalysatorer og danner et mellemliggende HMH-kompleks.

Derefter forekommer en migration af en H mod dobbeltbindingen, og dette åbner og danner en binding med metallet. Den resterende H derefter binder til den anden carbon af den oprindelige dobbeltbinding, og den producerede alkan, R ₂ HC-CHR ₂, er endelig frigivet.

Denne mekanisme vil blive gentaget så mange gange som nødvendigt, indtil alt H ₂ er fuldt omsat.

Referencer

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10 ^th edition.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Organisk kemi. (Sjette udgave). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (nd). Katalytisk hydrogenering af alkener. Kemi LibreTexts. Gendannes fra: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Hvad er katalytisk hydrogenering? - Mekanisme og reaktion. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com