הידרוגנציה קטליטית היא התגובה שבאמצעותו מימן מולקולרי מתווסף תרכובת במהירויות גבוהות. לא רק שמולקולת ה- H 2 צריכה לשבור תחילה את הקשר הקוואלי שלה, אלא גם בהיותה התנגשויות כה קטנות ויעילות בינה לבין התרכובת אליה תתווסף פחות סבירות פחות.
תרכובת הקולטן למימן יכולה להיות אורגנית או אורגנית. דוגמאות של הידרוגנציה קטליטית נמצאות לרוב בתרכובות אורגניות; בפרט אלה המציגים פעילות פרמקולוגית, או שיש בהם מתכות המשולבות במבנים שלהן (תרכובות אורגנו-מתכתיות).
מקור: גבריאל בוליבר
מה קורה כאשר H 2 מתווסף למבנה ארוז פחמן? חוסר הרוויה שלו פוחת, כלומר הפחמן מגיע לדרגה המרבית של קשרים פשוטים שהוא יכול ליצור.
לכן, H 2 מתווסף לקשרים כפולים (C = C) ומשולשים (C≡C); אם כי ניתן להוסיף אותו גם לקבוצות קרבוניל (C = O).
לפיכך, האלקנים והאלקינים שנוספו מגיבים על ידי מימן קטליטי. על ידי ניתוח שטחי של כל מבנה, ניתן לחזות האם הוא יוסיף H 2 או לא רק על ידי איתור קשרים כפולים ומשולשים.
מאפייני הידרוגנציה קטליטית
התמונה מציגה את מנגנון התגובה הזו. עם זאת, יש צורך לטפל בכמה היבטים תיאורטיים לפני שמתארים זאת.
משטחי הכדוריות האפרפרות מייצגים את האטומים המתכתיים, שכפי שנראה, הם הזרזים של הידרוגנציה ללא מצוינות.
קשר מימן נשבר
ראשית, הידרוגנציה היא תגובה אקסותרמית, כלומר היא משחררת חום כתוצאה מהיווצרות תרכובות עם אנרגיה נמוכה יותר.
זה מוסבר על ידי היציבות של קשרי CH שנוצרים, הדורשים יותר אנרגיה לצורך שבירתם לאחר מכן מאשר הקשר HH של מימן מולקולרי.
מצד שני, הידרוגנציה כרוכה תמיד בפירוק הקשר HH תחילה. קרע זה יכול להיות הומוליטי, כפי שהוא קורה במקרים רבים:
HH => H ∙ + ∙ H
או הטרוליטית, שיכולה להתרחש, למשל, כאשר תחמוצת האבץ, ZnO, מתמצרת במימן:
HH => H + + H -
שימו לב שההבדל בין שתי הפסקות נעוץ בהפצת האלקטרונים בקשר. אם הם מופצים באופן שווה (קוולנטי), כל H בסופו של דבר משמר אלקטרון אחד; בעוד שההפצה היא יונית, האחד בסופו של דבר ללא אלקטרונים, H + , והשני מרוויח אותם לחלוטין, H - .
שתי הפסקות אפשריות בהידרוגנציה קטליטית, אם כי ההומוליטית מאפשרת לפנות את מקומה להתפתחות של מנגנון הגיוני לכך.
נִסיוֹנִי
מימן הוא גז, ולכן יש לבעבע אותו ויש להבטיח שרק הוא שולט על פני הנוזל.
מצד שני, יש להמיס את התרכובת המיועדת למיזוג במדיום, בין אם מדובר במים, אלכוהול, אתר, אסטרים או אמין נוזלי; אחרת ההידרוגנציה הייתה מתקדמת לאט מאוד.
ברגע שמתמוסס התרכובת למיזוג, חייב להיות גם זרז במדיום התגובה. זה יהיה אחראי להאצת מהירות התגובה.
בהתחממות קטליטית משתמשים לעתים קרובות במתכות מחולקות דק של ניקל, פלדיום, פלטינה או רודיום, אשר אינן מסיסות כמעט בכל המיסים האורגניים. לכן יהיו שני שלבים: שלב נוזלי בו התרכובת והמימן מומסים, ושלב מוצק, זה של הזרז.
מתכות אלו מספקות את פני השטח שלהן כדי שהמימן והתרכובת יגיבו, כך ששבירת הקשרים תואץ.
באופן דומה, הם מצמצמים את שטח הדיפוזיה של המין, ומגדילים את מספר ההתנגשויות המולקולריות היעילות. לא רק זה, אלא אפילו התגובה מתרחשת בתוך נקבוביות המתכת.
סוגים
הוֹמוֹגֵנִי
אנו מדברים על הידרוגציה קטליטית הומוגנית כאשר מדיום התגובה מורכב משלב יחיד. השימוש במתכות במצבן הטהור אינו מתאים לכאן, מכיוון שהם אינם מסיסים.
במקום זאת משתמשים בתרכובות אורגנו-מתכתיות של מתכות אלה, אשר מסיסות, והוכחו כמניבות תשואות גבוהות.
אחד התרכובות האורגנו-מתכתיות הללו הוא הזרז של וילקינסון: טריס (טריפניל-פוספין) רודיום כלוריד, 3 RhCl. תרכובות אלה מהוות קומפלקס עם H 2 , ומפעילות אותו לתגובת התוספת שלו לאחר מכן לאלקן או לאקנה.
מימן הומוגני מציג חלופות רבות יותר מאשר הטרוגניות. למה? מכיוון שהכימיה היא התרכובות האורגנו-מתכתיות היא בשפע: זה מספיק כדי לשנות את המתכת (Pt, Pd, Rh, Ni) והליגנדים (המולקולות האורגניות או האורגניות המקושרות למרכז המתכת), כדי להשיג זרז חדש.
הֵטֵרוֹגֵנִי
הידרוגנציה קטליטית הטרוגנית, כאמור, יש שני שלבים: אחד נוזלי ואחד מוצק.
בנוסף לזרזים מתכתיים, ישנם אחרים המורכבים מתערובת מוצקה; לדוגמא, הזרז של לינדלר, המורכב מפלטינה, סידן פחמתי, אצטט עופרת וקינולין.
לזרז לינדלר יש את המוזרויות שהוא לוקה בחמצון של מימן של אלקנים; עם זאת, זה מאוד שימושי עבור הידרוגנציות חלקיות, כלומר, זה עובד מצוין על אלקינים:
RC≡CR + H 2 => RHC = CHR
מַנגָנוֹן
התמונה מציגה את מנגנון ההידרוגנציה הקטליטית באמצעות אבקת מתכת כזרז.
הכדוריות האפרפרות תואמות את המשטח המתכתי של, למשל, פלטינה. מולקולת H 2 (צבע סגול) מתקרבת למשטח המתכת וכך גם האלקן המחליף טטרה, R 2 C = CR 2 .
ה- H 2 מקיים אינטראקציה עם האלקטרונים העוברים באטומי המתכת, ומתרחשת קרע ויצירת קשר זמני HM, כאשר M הוא המתכת. תהליך זה מכונה כימותרפיה; כלומר ספיחה על ידי כוחות כימיים.
אלקין מתקשרת באופן דומה, אך הקשר נוצר על ידי הקשר הכפול שלו (קו מנוקד). הקשר HH כבר התנתק וכל אטום מימן נותר מלוכד למתכת; זה עושה אותו דבר עם מרכזי המתכת בזרזים אורגנו-מתכתיים ויוצרים קומפלקס ביניים HMH.
ואז מתרחשת נדידה של H לכיוון הקשר הכפול, וזה נפתח ויצירת קשר עם המתכת. לאחר מכן, ה- H הנותר נקשר לפחמן האחר של הקשר הכפול המקורי, והאלקן המיוצר, R 2 HC-CHR 2 , משתחרר סופית .
מנגנון זה יחזור על עצמו פעמים רבות ככל שיידרש, עד שכל ה- H 2 יגיב במלואו.
הפניות
- גרהם סולומונס TW, קרייג ב. פרלה. (2011). כימיה אורגנית. אמינים. (10 th Edition.). וויילי פלוס.
- קארי פ '(2008). כימיה אורגנית. (המהדורה השישית). מק גריי היל.
- שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
- Lew J. (nd). הידרוגנציה קטליטית של אלקנים. כימיה LibreTexts. התאושש מ: chem.libretexts.org
- ג'ונס ד '(2018). מהי הידרוגנציה קטליטית? - מנגנון ותגובה. לימוד. התאושש מ: study.com