Χαρακτηριστικά, τύποι και μηχανισμός καταλυτικής υδρογόνωσης



Το καταλυτική υδρογόνωση είναι η αντίδραση με την οποία προστίθεται μοριακό υδρογόνο σε μια ένωση σε υψηλότερες ταχύτητες. Το μόριο του Η2 όχι μόνο πρέπει πρώτα να σπάσει τον ομοιοπολικό δεσμό του, αλλά επίσης, επειδή είναι τόσο μικρό, αποτελεσματικές συγκρούσεις μεταξύ αυτού και της ένωσης στην οποία θα προστεθεί είναι λιγότερο πιθανές..

Η ένωση υποδοχέα υδρογόνου μπορεί να είναι οργανική ή ανόργανη. Σε οργανικές ενώσεις υπάρχουν όπου υπάρχουν περισσότερα παραδείγματα καταλυτικής υδρογόνωσης. ιδιαίτερα εκείνα που παρουσιάζουν φαρμακολογική δραστηριότητα ή που έχουν ενσωματώσει μέταλλα στις δομές τους (οργανομεταλλικές ενώσεις).

Τι συμβαίνει όταν προστίθεται το Η2 σε μια δομή γεμάτη άνθρακα; Μειώνει την ακορεστότητά του, δηλαδή ο άνθρακας φτάνει στο μέγιστο βαθμό απλών δεσμών που μπορεί να σχηματιστεί.

Επομένως, το Η2 Προστίθεται σε διπλούς δεσμούς (C = C) και τριπλούς δεσμούς (C = C). αν και μπορεί επίσης να προστεθεί στις ομάδες καρβονυλίου (C = O).

Έτσι, τα αλκένια και τα αλκύνια αντιδρούν με καταλυτική υδρογόνωση. Μέσω της επιφανειακής ανάλυσης οποιασδήποτε δομής, μπορεί να προβλεφθεί αν θα προστεθεί η Η ή όχι2 με μόνο ανίχνευση διπλών και τριπλών συνδέσμων.

Ευρετήριο

  • 1 Χαρακτηριστικά της καταλυτικής υδρογόνωσης
    • 1.1 Λωρίδες του δεσμού υδρογόνου
    • 1.2 Πειραματική
  • 2 Τύποι
    • 2.1 Ομογενής
    • 2.2 Ετερογενής
  • 3 Μηχανισμός
  • 4 Αναφορές

Χαρακτηριστικά της καταλυτικής υδρογόνωσης

Ο μηχανισμός αυτής της αντίδρασης φαίνεται στην εικόνα. Ωστόσο, είναι απαραίτητο να αντιμετωπιστούν ορισμένες θεωρητικές πτυχές πριν την περιγράψουμε.

Οι επιφάνειες των γκρίζων σφαιρών αντιπροσωπεύουν τα μεταλλικά άτομα τα οποία, όπως θα δούμε, είναι οι καταλύτες της υδρογονώσεως κατ 'εξοχήν.

Οι ρωγμές των δεσμών υδρογόνου

Για αρχή, η υδρογόνωση είναι μια εξώθερμη αντίδραση, δηλαδή απελευθερώνει θερμότητα ως αποτέλεσμα του σχηματισμού κατώτερων ενεργειακών ενώσεων.

Αυτό εξηγείται από τη σταθερότητα των σχηματιζόμενων δεσμών Ο-Η, οι οποίες απαιτούν περισσότερη ενέργεια για την επακόλουθη θραύση του από εκείνη που απαιτείται από τον δεσμό Η-Η του μοριακού υδρογόνου..

Από την άλλη πλευρά, η υδρογόνωση εμπλέκει πάντα τη διάσπαση του δεσμού Η-Η πρώτα. Αυτή η ρήξη μπορεί να είναι ομολυτική, όπως σε πολλές περιπτώσεις:

Η-Η = Η + + Η

Ή heterolítica, που μπορεί να συμβεί, για παράδειγμα, όταν το οξείδιο του ψευδαργύρου υδρογονώνεται, ZnO:

Η-Η => Η+ + H-

Σημειώστε ότι η διαφορά μεταξύ των δύο ρήξεων έγκειται στο πώς κατανέμονται τα ηλεκτρόνια του δεσμού. Αν διανέμονται εξίσου (ομοιοπολικά), κάθε Η καταλήγει στη διατήρηση ενός ηλεκτρονίου. ενώ αν η κατανομή είναι ιοντικά, το ένα τελειώνει χωρίς ηλεκτρόνια, H+, και ο άλλος τους κερδίζει εντελώς, Η-.

Και οι δύο ρήξεις είναι δυνατές στην καταλυτική υδρογόνωση, παρόλο που η ομολυτική επιτρέπει την ανάπτυξη ενός λογικού μηχανισμού γι 'αυτό.

Πειραματικό

Το υδρογόνο είναι ένα αέριο και επομένως πρέπει να διοχετεύεται με φυσαλίδες και να διασφαλίζεται ότι μόνο αυτό υπερισχύει στην επιφάνεια του υγρού.

Από την άλλη πλευρά, η ένωση που πρόκειται να υδρογονωθεί πρέπει να διαλυτοποιείται σε ένα μέσο, ​​είτε πρόκειται για νερό, αλκοόλη, αιθέρα, εστέρες ή μία υγρή αμίνη, διαφορετικά, η υδρογόνωση θα περάσει πολύ αργά.

Μόλις η ένωση που πρόκειται να υδρογονωθεί διαλύεται, πρέπει επίσης να υπάρχει ένας καταλύτης στο μέσο αντίδρασης. Αυτό θα είναι υπεύθυνο για την επιτάχυνση της ταχύτητας της αντίδρασης.

Στην καταλυτική υδρογόνωση χρησιμοποιούνται συνήθως λεπτά λεπτά μέταλλα νικελίου, παλλαδίου, πλατίνας ή ροδίου, τα οποία είναι αδιάλυτα σε σχεδόν όλους τους οργανικούς διαλύτες. Συνεπώς, θα υπάρχουν δύο φάσεις: μια υγρή φάση με τη διαλελυμένη ένωση και το υδρογόνο, και μια στερεή φάση, εκείνη του καταλύτη.

Αυτά τα μέταλλα συνεισφέρουν την επιφάνειά τους έτσι ώστε το υδρογόνο και η ένωση να αντιδρούν, με τέτοιο τρόπο ώστε να διασπείρονται τα διαλείμματα των δεσμών.

Ομοίως, μειώνουν το χώρο διάχυσης του είδους, αυξάνοντας τον αριθμό των αποτελεσματικών μοριακών συγκρούσεων. Όχι μόνο αυτό, αλλά ακόμη και η αντίδραση λαμβάνει χώρα μέσα στους πόρους του μετάλλου.

Τύποι

Ομοιογενής

Μιλάμε για ομοιογενή καταλυτική υδρογόνωση όταν το μέσο αντίδρασης αποτελείται από μία μόνο φάση. Εδώ δεν υπάρχει χώρος για τη χρήση μετάλλων στις καθαρές τους καταστάσεις, καθώς είναι αδιάλυτες.

Αντ 'αυτού, χρησιμοποιούνται οργανομεταλλικές ενώσεις αυτών των μετάλλων, οι οποίες είναι διαλυτές και έχουν αποδειχθεί ότι έχουν υψηλές αποδόσεις..

Μία από αυτές τις οργανομεταλλικές ενώσεις είναι ο καταλύτης Wilkinson: χλωριούχο τρις ​​(τριφαινυλοφωσφινο) ρόδιο, [(C6H5)3P]3RhCl. Αυτές οι ενώσεις σχηματίζουν ένα σύμπλοκο με Η2, ενεργοποιώντας το για την επακόλουθη αντίδραση προσθήκης του σε αλκένιο ή αλκύνιο.

Η ομοιογενής υδρογόνωση παρουσιάζει πολύ περισσότερες εναλλακτικές από την ετερογενή. Γιατί; Επειδή η χημεία είναι οι οργανομεταλλικές ενώσεις είναι άφθονη: αρκεί η αλλαγή του μετάλλου (Pt, Pd, Rh, Ni) και των προσδεμάτων (τα οργανικά ή ανόργανα μόρια που συνδέονται με το μεταλλικό κέντρο), για να ληφθεί ένας νέος καταλύτης.

Ετερογενής

Η ετερογενής καταλυτική υδρογόνωση, όπως μόλις αναφέρθηκε, έχει δύο φάσεις: ένα υγρό και ένα στερεό.

Εκτός από τους μεταλλικούς καταλύτες, υπάρχουν και άλλοι που αποτελούνται από ένα στερεό μίγμα. για παράδειγμα, ο καταλύτης Lindlar, ο οποίος αποτελείται από λευκόχρυσο, ανθρακικό ασβέστιο, οξικό μόλυβδο και κινολίνη.

Ο καταλύτης Lindlar έχει την ιδιαιτερότητα ότι είναι ανεπαρκής για την υδρογόνωση των αλκενίων. Ωστόσο, είναι πολύ χρήσιμο για μερικές υδρογονώσεις, δηλαδή, λειτουργεί άριστα στα αλκύνια:

RC = CR + H2 => RHC = CHR

Μηχανισμός

Η εικόνα δείχνει τον μηχανισμό καταλυτικής υδρογόνωσης χρησιμοποιώντας ένα κονιοποιημένο μέταλλο ως καταλύτη.

Οι γκρίζες σφαίρες αντιστοιχούν στη μεταλλική επιφάνεια, για παράδειγμα, της πλατίνας. Το μόριο Η2 (μοβ χρώμα) προσεγγίζει την μεταλλική επιφάνεια όπως το τετρα υποκατεστημένο αλκένιο, R2C = CR2.

Το Η2 αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια που διέρχονται από τα άτομα μετάλλων και συμβαίνει ένα διάλειμμα και ένας προσωρινός δεσμός σχηματίζει Η-Μ, όπου το Μ είναι το μέταλλο. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως χημική απορρόφηση? δηλαδή, μια προσρόφηση από χημικές δυνάμεις.

Το αλκένιο αλληλεπιδρά με παρόμοιο τρόπο, αλλά ο σύνδεσμος το σχηματίζει με τον διπλό δεσμό του (διακεκομμένη γραμμή). Ο δεσμός Η-Η έχει ήδη διαχωριστεί και κάθε άτομο υδρογόνου παραμένει δεσμευμένο στο μέταλλο. με τον ίδιο τρόπο με τα μεταλλικά κέντρα στους οργανομεταλλικούς καταλύτες, σχηματίζοντας ένα ενδιάμεσο σύμπλεγμα Η-Μ-Η.

Στη συνέχεια συμβαίνει μια μετατόπιση ενός Η στον διπλό δεσμό και ανοίγει σχηματίζοντας δεσμό με το μέταλλο. Στη συνέχεια, το υπόλοιπο Η ενώνει τον άλλο άνθρακα του αρχικού διπλού δεσμού και το παραγόμενο αλκάνιο τελικά απελευθερώνεται, R2HC-CHR2.

Ο μηχανισμός αυτός θα επαναληφθεί όσες φορές είναι απαραίτητο, μέχρι ότου το σύνολο του Η2 έχουν αντιδράσει πλήρως.

Αναφορές

  1. Graham Solomons T.W., Craig Β. Fryhle. (2011). Οργανική Χημεία. Αμίνες (10th έκδοση.). Wiley Plus.
  2. Carey F. (2008). Οργανική Χημεία (Έκτη έκδοση). Mc Graw Hill.
  3. Shiver & Atkins. (2008). Ανόργανη χημεία (Τέταρτη έκδοση). Mc Graw Hill.
  4. Lew J. (s.f.). Καταλυτική υδρογόνωση αλκενίων. Χημεία LibreTexts. Ανακτήθηκε από: chem.libretexts.org
  5. Jones D. (2018). Τι είναι η Καταλυτική Υδρογόνωση; - Μηχανισμός & Αντίδραση. Μελέτη. Ανακτήθηκε από: study.com