Katalytiske hydrogeneringsegenskaber, typer og mekanisme

den katalytisk hydrogenering er reaktionen, hvormed molekylært hydrogen tilsættes til en forbindelse ved højere hastigheder. H-molekylet₂ Det skal ikke kun bryde sin kovalente binding, men også fordi det er så lille, er effektive kollisioner mellem den og den forbindelse, som den vil blive tilsat mindre sandsynlig..

Hydrogenreceptorforbindelsen kan være organisk eller uorganisk. I organiske forbindelser findes der flere eksempler på katalytisk hydrogenering; især dem der præsenterer farmakologisk aktivitet, eller som har indarbejdet metaller i deres strukturer (organometalliske forbindelser).

Hvad sker der, når H tilføjes₂ til en struktur fuld af kulstof? Det reducerer sin umættethed, det vil sige, at kulstof når den maksimale grad af simple bindinger, der kan danne.

Derfor er H₂ det tilsættes til dobbelt (C = C) og tredobbelt (C≡C) bindinger; selv om det også kan tilsættes til carbonylgrupperne (C = O).

Alkener og alkyner omsættes således ved katalytisk hydrogenering. Ved overfladisk analyse af enhver struktur kan det forudsiges, om det vil tilføje H₂ med kun at opdage dobbelt og tredobbelt links.

indeks

• 1 Karakteristika for katalytisk hydrogenering
  • 1.1 Ruptures af hydrogenbinding
  • 1.2 Eksperimentelle
• 2 typer
  • 2.1 homogen
  • 2.2 Heterogen
• 3 mekanisme
• 4 referencer

Karakteristik af katalytisk hydrogenering

Mekanismen for denne reaktion er vist i billedet. Det er dog nødvendigt at behandle nogle teoretiske aspekter, inden de beskrives.

Overfladerne på de gråkugler repræsenterer de metalliske atomer, som, som det ses, er katalysatorerne for hydrogeneringen par excellence.

Brintbindingbrud

Til at begynde med er hydrogenering en eksoterm reaktion, det vil sige det frigiver varme som følge af dannelsen af ​​lavere energiforbindelser.

Dette forklares ved stabiliteten af ​​de dannede C-H bindinger, som kræver mere energi til dets efterfølgende brud end det, der kræves af H-H bindingen af ​​molekylært hydrogen..

På den anden side involverer hydrogenering altid først brydningen af ​​H-H-bindingen. Denne brud kan være homolytisk, som i mange tilfælde:

H-H => H ∙ + ∙ H

Eller heterolítica, som kan forekomme, fx når zinkoxid hydrogeneres, ZnO:

H-H => H⁺ + H^-

Bemærk, at forskellen mellem de to brud ligger i, hvordan elektronerne i obligationen fordeles. Hvis de distribueres lige (kovalent), slutter hver H op med at bevare en elektron; hvorimod fordelingen er ionisk, slutter en uden elektroner, H⁺, og den anden vinder dem helt, H^-.

Begge brud er mulige ved katalytisk hydrogenering, selvom homolytisk muliggør udviklingen af ​​en logisk mekanisme til dette.

eksperimentel

Brint er en gas, og derfor skal det bobles og garanteres, at det kun overhovedet er på væskens overflade.

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

Når først forbindelsen, der skal hydrogeneres, opløses, skal der også være en katalysator i reaktionsmediet. Dette vil være ansvarlig for at fremskynde reaktionshastigheden.

Ved katalytisk hydrogenering anvendes det sædvanligvis finfordelt metaller af nikkel, palladium, platin eller rhodium, som er uopløselige i næsten alle organiske opløsningsmidler. Derfor vil der være to faser: en flydende fase med den opløste forbindelse og hydrogen, og en fast fase, den for katalysatoren.

Disse metaller bidrager med deres overflade, således at hydrogenet og forbindelsen reagerer på en sådan måde, at brydningerne af bindinger agiliseres.

Ligeledes formindsker de diffusionsrummet for arten, hvilket øger antallet af effektive molekylære kollisioner. Ikke kun det, men selv reaktionen finder sted inden i metalets porer.

typen

homogen

Der er tale om homogen katalytisk hydrogenering, når reaktionsmediet består af en enkelt fase. Her er der ikke plads til brugen af ​​metaller i deres rene stater, da de er uopløselige.

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

En af disse organometalliske forbindelser er Wilkinson's katalysator: tris (triphenylphosphin) rhodiumchlorid, [(C₆H₅)₃P]₃RhC. Disse forbindelser danner et kompleks med H₂, aktivering af det til dets efterfølgende tilsætningsreaktion på alken eller alkyn.

Den homogene hydrogenering giver mange flere alternativer end den heterogene. Hvorfor? Fordi kemi er de organometalliske forbindelser er rigelige: blot ændre metal (Pt, Pd, Rh, Ni) og liganden (organiske eller uorganiske molekyler bundet til metallet centrum), for en ny katalysator.

heterogen

Den heterogene katalytiske hydrogenering har som nævnt to faser: en væske og et fast stof.

Foruden metalkatalysatorer er der andre, der består af en fast blanding; for eksempel Lindlar-katalysatoren, som er sammensat af platin, calciumcarbonat, blyacetat og quinolin.

Lindlar-katalysatoren har den specificitet, at den er mangelfuld for hydrogeneringen af ​​alkenerne; Det er imidlertid meget nyttigt for partielle hydrogeneringer, det vil sige, det virker glimrende på alkynerne:

RC = CR + H₂ => RHC = CHR

mekanisme

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

De gråkugler svarer til den metalliske overflade af f.eks. Platin. Molekylet H₂ (lilla farve) nærmer sig metaloverfladen som den tetra-substituerede alken, R₂C = CR₂.

H₂ interagerer med de elektroner, der løber gennem metalatomerne, og der opstår en pause, og en midlertidig binding danner H-M, hvor M er metalet. Denne proces er kendt som kemisorption; det vil sige en adsorption af kemiske kræfter.

Alken interagerer på en lignende måde, men linket danner det med sin dobbeltbinding (prikket linje). H-H-bindingen er allerede blevet dissocieret, og hvert hydrogenatom forbliver bundet til metallet; på samme måde som med metalcentrene i de organometalliske katalysatorer, der danner et mellemkompleks H-M-H.

Derefter sker en migrering af en H til dobbeltbindingen, og den åbner op for at danne en binding med metallet. Derefter forbinder de resterende H med det andet carbon i den oprindelige dobbeltbinding, og den producerede alkan frigives til sidst, R₂HC-CHR₂.

Denne mekanisme vil blive gentaget så mange gange som nødvendigt, indtil alle H₂ har reageret fuldstændigt.

referencer

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10^th udgave.). 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. (s.f.). Katalytisk hydrogenering af alkener. Kemi LibreTexts. Hentet fra: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Hvad er katalytisk hydrogenering? - Mekanisme & reaktion. Undersøgelse. Hentet fra: study.com