KATALYTISK HYDROGENERING: EGENSKAPER, TYPER OG MEKANISME - KJEMI - 2026

Den katalytiske hydrogeneringen er reaksjonen som molekylært hydrogen tilsettes til en forbindelse med høyere hastigheter. Ikke bare må den H- _2- molekylet først bryte sin kovalent binding, men også, å være så små, effektive kollisjoner mellom den og forbindelsen til hvilken det legges det er mindre sannsynlig.

Hydrogenreseptorforbindelsen kan enten være organisk eller uorganisk. Eksempler på katalytisk hydrogenering finnes ofte i organiske forbindelser; spesielt de som har farmakologisk aktivitet, eller som har metaller inkorporert i deres strukturer (organometalliske forbindelser).

Kilde: Gabriel Bolívar

Hva skjer når H ₂ tilsettes en karbonpakket struktur? Umettingen avtar, det vil si at karbon når den maksimale grad av enkle bindinger som den kan danne.

Derfor, H- ₂ tilsettes til dobbelt (C = C) og trippel (C = C) bindinger; selv om det også kan tilsettes karbonylgrupper (C = O).

Alkenene og alkyene som er tilsatt reagerer således ved katalytisk hydrogenering. Ved overfladisk å analysere en hvilken som helst struktur, kan det forutsies hvorvidt eller ikke det skal legge H ₂ bare ved å detektere dobbelt- og trippelbindinger.

Kjennetegn på katalytisk hydrogenering

Bildet viser mekanismen for denne reaksjonen. Imidlertid er det nødvendig å ta opp noen teoretiske aspekter før du beskriver det.

Overflatene til de gråaktige kulene representerer de metalliske atomer som, som det fremgår, er katalysatorene for hydrering i god kvalitet.

Hydrogenbinding brytes

Til å begynne med er hydrogenering en eksoterm reaksjon, det vil si at den frigjør varme som et resultat av dannelse av forbindelser med lavere energi.

Dette forklares med stabiliteten til dannede CH-bindinger, som krever mer energi for deres etterfølgende brudd enn HH-bindingen av molekylært hydrogen krever.

På den annen side innebærer hydrogenering alltid å bryte HH-bindingen først. Dette bruddet kan være homolytisk, da det skjer i mange tilfeller:

HH => H ∙ + ∙ H

Eller heterolytisk, som for eksempel kan forekomme når sinkoksyd, ZnO, er hydrogenert:

HH => H ⁺ + H ^-

Merk at forskjellen mellom de to pausene ligger i hvordan elektronene i bindingen er fordelt. Hvis de er fordelt jevnt (kovalent), ender hver H opp med å bevare ett elektron; mens hvis fordelingen er ionisk, ender den opp uten elektroner, H ⁺ , og den andre får dem fullstendig, H ^- .

Begge bruddene er mulige ved katalytisk hydrogenering, selv om den homolytiske gjør det mulig å vike for utviklingen av en logisk mekanisme for dette.

eksperimentell

Hydrogen er en gass, og derfor må det bobles, og det må sikres at bare det dominerer på overflaten av væsken.

På den annen side må forbindelsen som skal hydrogeneres oppløseliggjøres i et medium, det være seg vann, alkohol, eter, estere eller en flytende amin; Ellers ville hydrogeneringen gå veldig sakte.

Når forbindelsen som skal hydrogeneres er oppløst, må det også være en katalysator i reaksjonsmediet. Dette vil være ansvarlig for å akselerere reaksjonshastigheten.

Ved katalytisk hydrogenering brukes ofte findelte metaller av nikkel, palladium, platina eller rodium, som er uoppløselige i nesten alle organiske løsningsmidler. Derfor vil det være to faser: en flytende fase med forbindelsen og hydrogen oppløst, og en fast fase, katalysatorens.

Disse metaller gir overflaten for at hydrogenet og forbindelsen reagerer, på en slik måte at brudd på bindinger blir akselerert.

På samme måte reduserer de diffusjonsrommet for arten, og øker antall effektive molekylære kollisjoner. Ikke bare det, men til og med reaksjonen finner sted inne i metallets porer.

typer

homogen

Vi snakker om homogen katalytisk hydrogenering når reaksjonsmediet består av en enkelt fase. Bruken av metaller i rene tilstander passer ikke her, siden de er uoppløselige.

I stedet brukes organometalliske forbindelser av disse metaller, som er oppløselige, og har vist seg å ha høye utbytter.

En av disse organometalliske forbindelsene er Wilkinsons katalysator: tris (trifenylfosfin) rodiumklorid, ₃ RhCl. Disse forbindelser danner et kompleks med H- ₂ , aktiverer den for dens etterfølgende addisjonsreaksjon til alken eller alkyn.

Homogen hydrogenering presenterer mange flere alternativer enn heterogen. Hvorfor? Fordi kjemien er de organometalliske forbindelsene er det rikelig: det er nok å endre metallet (Pt, Pd, Rh, Ni) og ligandene (de organiske eller uorganiske molekyler knyttet til metallsenteret), for å få en ny katalysator.

heterogen

Heterogen katalytisk hydrogenering har som nevnt to faser: en væske og et fast stoff.

I tillegg til metalliske katalysatorer, er det andre som består av en fast blanding; for eksempel Lindlars katalysator, som består av platina, kalsiumkarbonat, blyacetat og kinolin.

Lindlar-katalysatoren har det særegne at det er mangelfull for hydrogenering av alkene; Imidlertid er det veldig nyttig for delvise hydrogeneringer, det vil si at den fungerer utmerket på alkyner:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Mekanisme

Bildet viser mekanismen for katalytisk hydrogenering ved bruk av pulverisert metall som katalysator.

De gråaktige kulene tilsvarer den metalliske overflaten på for eksempel platina. H- ₂ -molekylet (lilla farge) nærmer seg den metalloverflate som gjør det tetra-substituert alken, R ₂ C = CR ₂ .

H ₂ samhandler med elektronene som går gjennom metallets atomer, og det oppstår en brudd og dannelse av en midlertidig binding HM, hvor M er metallet. Denne prosessen er kjent som kjemisorpsjon; det vil si en adsorpsjon av kjemiske krefter.

Alkene samvirker på lignende måte, men bindingen dannes av sin dobbeltbinding (stiplet linje). HH-bindingen har allerede dissosiert, og hvert hydrogenatom forblir bundet til metallet; det gjør det samme med metallsentrene i organometalliske katalysatorer, og danner et mellomliggende HMH-kompleks.

Deretter skjer en migrering av en H mot dobbeltbindingen, og dette åpnes og danner en binding med metallet. Den gjenværende H deretter bindes til det andre karbonatom i den opprinnelige dobbeltbinding, og den produserte alkan, R ₂ HC-CHR ₂ , er endelig frigjøres .

Denne mekanismen vil bli gjentatt så mange ganger som det er nødvendig, inntil all H ₂ har reagert fullstendig.

referanser

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kjemi. Aminer. (10 ^th edition.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Organisk kjemi. (Sjette utgave). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (nd). Katalytisk hydrogenering av alkene. Kjemi LibreTexts. Gjenopprettet fra: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Hva er katalytisk hydrogenering? - Mekanisme og reaksjon. Studere. Gjenopprettet fra: study.com