KATALITIČKA HIDROGENACIJA: KARAKTERISTIKE, VRSTE I MEHANIZAM - KEMIJA - 2026

Katalitička hidrogenacija je reakcija kojom se dodaje molekularni vodik u spoj pri većim brzinama. Ne samo Mora H ₂ molekule prvo razbiti svoj kovalentne veze, ali isto tako, biti tako male, učinkovite sudara između njega i spojem na kojoj će biti dodan manje vjerojatno.

Spoj receptora vodika može biti organski ili anorganski. Primjeri katalitičkog hidrogeniranja najčešće se nalaze u organskim spojevima; posebno one koji pokazuju farmakološku aktivnost ili koji imaju metale ugrađene u njihove strukture (organometalni spojevi).

Izvor: Gabriel Bolívar

Što se događa kada je H ₂ se doda u strukturi ugljikov pakirane? Njegova zasićenost se smanjuje, to jest, ugljik doseže maksimalan stupanj jednostavnih veza koje može formirati.

Stoga, H ₂ se doda u dvostrukom (C = C) i trostrukih veza (C = C); iako se može dodati i karbonilnim skupinama (C = O).

Dakle, dodani alkeni i alkini reagiraju katalitičkim hidrogeniranjem. Po površno analizu bilo strukture, može se predvidjeti hoće li će dodati H ₂ samo prepoznavanje dvostrukih i trostrukih veza.

Karakteristike katalitičkog hidrogeniranja

Na slici je prikazan mehanizam ove reakcije. Međutim, prije opisivanja potrebno je pozabaviti se nekim teorijskim aspektima.

Površine sivkaste sfere predstavljaju metalne atome koji su, kao što ćemo vidjeti, katalizatori hidrogenizacije par excellence.

Prekida vodikova vodika

Za početak, hidrogenacija je egzotermna reakcija, odnosno oslobađa se topline kao rezultat stvaranja spojeva s nižom energijom.

To se objašnjava stabilnošću formiranih CH veza, kojima je potrebno više energije za njihovo kasnije razbijanje nego što to zahtijeva HH veza molekularnog vodika.

S druge strane, hidrogeniranje uvijek prvo uključuje razbijanje HH veze. Ova ruptura može biti homolitna, kao što se događa u mnogim slučajevima:

HH => H ∙ + ∙ H

Ili heterolitički, koji se mogu pojaviti, na primjer, kada se hidrogenizira cinkov oksid, ZnO:

HH => H ⁺ + H ^-

Napominjemo da razlika između dva prekida leži u tome kako se elektroni u vezi raspodjeljuju. Ako su raspodijeljeni ravnomjerno (kovalentno), svaki H završava očuvanjem jednog elektrona; dok je ako je raspodjela ionska, jedan završava bez elektrona, H ⁺, a drugi ih u potpunosti dobiva, H ^-.

Oba prekida moguća su u katalitičkoj hidrogenaciji, iako homolitna omogućuje ustupiti mjesto razvoju logičkog mehanizma za to.

eksperimentalan

Vodonik je plin i zato se mora propuhati i mora se osigurati da na površini tekućine prevladava samo on.

S druge strane, spoj koji se hidrogenira mora biti solubiliziran u mediju, bilo da se radi o vodi, alkoholu, eteru, esterima ili tekućem aminu; inače bi se hidrogenizacija odvijala vrlo sporo.

Jednom kada se spoj hidrogenira otapa, u reakcijskom mediju mora postojati i katalizator. Ovo će biti odgovorno za ubrzanje brzine reakcije.

U katalitičkom hidrogeniranju često se koriste fino podijeljeni metali nikla, paladija, platine ili rodija koji su netopljivi u gotovo svim organskim otapalima. Stoga će biti dvije faze: tekuća faza s otopljenim spojem i vodikom i kruta faza katalizatora.

Ti metali pružaju površinu vodiku i spoju da reagiraju na način da se ubrzava razbijanje veza.

Isto tako, smanjuju difuzijski prostor vrste, povećavajući broj učinkovitih molekularnih sudara. I ne samo to, već se i reakcija odvija unutar pora metala.

vrste

homogen

Govorimo o homogenoj katalitičkoj hidrogenaciji kada se reakcijski medij sastoji od jedne faze. Upotreba metala u njihovom čistom stanju ovdje se ne uklapa jer su netopljivi.

Umjesto toga, koriste se metalometalni spojevi ovih metala koji su topljivi i za koje se pokazalo da imaju visoke prinose.

Jedan od tih metalometalnih spojeva je Wilkinson-ov katalizator: tris (trifenilfosfin) rodijum-klorid, ₃ RhCl. Ovi spojevi mogu tvoriti kompleks s H ₂ i koje se aktiviraju za naknadno dodavanje reakcija alkena ili alkina.

Homogena hidrogenacija daje mnogo više alternativa nego heterogena. Zašto? Budući da je kemija organometalnih spojeva u izobilju: dovoljno je promijeniti metal (Pt, Pd, Rh, Ni) i ligande (organske ili anorganske molekule povezane s metalnim središtem) da bi se dobio novi katalizator.

heterogen

Heterogena katalitička hidrogenizacija, kao što je već spomenuto, ima dvije faze: jednu tekuću i jednu krutu.

Pored metalnih katalizatora, postoje i drugi koji se sastoje od čvrste smjese; na primjer, Lindlarov katalizator, koji se sastoji od platine, kalcijevog karbonata, olovnog acetata i kinolina.

Lindlar katalizator ima svojstvo da ima nedostatak za hidrogenaciju alkena; Međutim, vrlo je korisna za djelomične hidrogenacije, odnosno izvrsno djeluje na alkine:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Mehanizam

Na slici je prikazan mehanizam katalitičkog hidrogeniranja koristeći metal u prahu kao katalizator.

Sivkaste sfere odgovaraju metalnoj površini, recimo, platine. H ₂ molekula (ljubičasta boja) približava metalne površine kao što se tetra supstituiran alken, R ₂ C = CR ₂.

Je H ₂ interakciju s elektrona koji rade kroz atoma metala i ruptura i formiranje privremenog veza javlja HM, gdje M je metal. Taj je postupak poznat kao hemisorpcija; to jest adsorpcija kemijskim silama.

Alkene djeluje na sličan način, ali veza je formirana njegovom dvostrukom vezom (isprekidana linija). HH veza se već disocirala i svaki atom vodika ostaje vezan za metal; to čini isto s metalnim centrima u organometalnim katalizatorima, tvoreći međupredmetni HMH kompleks.

Tada dolazi do migracije H prema dvostrukoj vezi, a to se otvara formirajući vezu s metalom. Preostali H zatim veže na druge ugljika izvornog dvostruke veze, a proizvedene alkan, R ₂ HC-CHR ₂, konačno se otpušta.

Ovaj mehanizam će se ponoviti onoliko puta koliko je to potrebno, sve dok se H- ₂ u potpunosti reagirao.

Reference

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10 ^th Edition,). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesto izdanje). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (drugi). Katalitička hidrogenacija Alkena. Kemija LibreTexts. Oporavak od: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Što je katalitička hidrogenacija? - Mehanizam i reakcija. Studija. Oporavilo od: study.com