HIDROGENAREA CATALITICĂ: CARACTERISTICI, TIPURI ȘI MECANISM - CHIMIE - 2025

Hidrogenarea catalitică este reacția prin care se adaugă hidrogen molecular la un compus la viteze mai mari. Nu numai că H ₂ molecula rupe întâi legătura sa covalentă, dar , de asemenea, fiind atât de mici coliziuni, eficiente între ea și compusul la care vor fi adăugate sunt mai puțin probabil.

Compusul receptor de hidrogen poate fi fie organic, fie anorganic. Exemple de hidrogenare catalitică se găsesc cel mai adesea în compuși organici; în special, cele care prezintă activitate farmacologică sau care au metale încorporate în structurile lor (compuși organometalici).

Sursa: Gabriel Bolívar

Ce se întâmplă când H ₂ este adăugată la o structură-ambalate carbon? Nesaturarea sa scade, adică carbonul atinge gradul maxim de legături simple pe care le poate forma.

Prin urmare, H ₂ se adaugă la dublu (C = C) și legături triple (CeC); deși poate fi adăugat și la grupări carbonil (C = O).

Astfel, alchenele și alchinele adăugate reacționează prin hidrogenarea catalitică. Prin analiza superficial orice structură, se poate prevedea dacă este sau nu se va adăuga H ₂ doar prin detectarea legături duble și triple.

Caracteristicile hidrogenării catalitice

Imaginea arată mecanismul acestei reacții. Cu toate acestea, este necesar să abordăm unele aspecte teoretice înainte de a le descrie.

Suprafețele sferelor greșite reprezintă atomii metalici care, după cum se va vedea, sunt catalizatorii hidrogenării prin excelență.

Legătura de hidrogen se rupe

Pentru început, hidrogenarea este o reacție exotermică, adică eliberează căldură ca urmare a formării compușilor cu energie mai mică.

Acest lucru se explică prin stabilitatea legăturilor CH formate, care necesită mai multă energie pentru ruperea lor ulterioară decât necesită legătura HH a hidrogenului molecular.

Pe de altă parte, hidrogenarea implică întotdeauna ruperea legăturii HH. Această ruptură poate fi omolitică, așa cum se întâmplă în multe cazuri:

HH => H ∙ + ∙ H

Sau heterolitic, care poate apărea, de exemplu, când oxidul de zinc, ZnO, este hidrogenat:

HH => H ⁺ + H ^-

Rețineți că diferența dintre cele două pauze constă în modul în care electronii din legătură sunt distribuiți. Dacă sunt distribuite uniform (covalent), fiecare H ajunge să păstreze un electron; în timp ce dacă distribuția este ionică, unul se termină fără electroni, H ⁺ , iar celălalt le câștigă complet, H ^- .

Ambele pauze sunt posibile în hidrogenarea catalitică, deși cea omolitică permite să creeze un mecanism logic pentru aceasta.

Experimental

Hidrogenul este un gaz și, prin urmare, trebuie să fie balonat și trebuie să se asigure că predomină numai pe suprafața lichidului.

Pe de altă parte, compusul care urmează să fie hidrogenat trebuie solubilizat într-un mediu, fie el apă, alcool, eter, esteri sau o amină lichidă; în caz contrar, hidrogenarea ar urma foarte lent.

Odată dizolvat compusul care va fi hidrogenat, trebuie să existe și un catalizator în mediul de reacție. Aceasta va fi responsabilă pentru accelerarea vitezei reacției.

În hidrogenarea catalitică, sunt adesea utilizate metale fin divizate de nichel, paladiu, platină sau rodiu, care sunt insolubile în aproape toți solvenții organici. Prin urmare, vor exista două faze: o fază lichidă cu compusul și hidrogenul dizolvat și o fază solidă, cea a catalizatorului.

Aceste metale asigură suprafața lor pentru ca hidrogenul și compusul să reacționeze, astfel încât ruperea legăturilor să fie accelerată.

De asemenea, acestea reduc spațiul de difuzie al speciei, crescând numărul de coliziuni moleculare eficiente. Nu numai asta, dar chiar și reacția are loc în interiorul porilor metalului.

Tipuri

Omogen

Vorbim despre hidrogenarea catalitică omogenă atunci când mediul de reacție constă dintr-o singură fază. Utilizarea metalelor în stările lor pure nu se potrivește aici, deoarece acestea sunt insolubile.

În schimb, se folosesc compuși organometalici ai acestor metale, care sunt solubili și s-a dovedit că au randamente mari.

Unul dintre acești compuși organometalici este catalizatorul lui Wilkinson: clorură de rodiu tris (trifenilfosfin), ₃ RhCl. Acești compuși formează un complex cu H ₂ , activând - pentru reacția sa adăugarea ulterioară a alchenei sau alchină.

Hidrogenarea omogenă prezintă multe alte alternative decât eterogene. De ce? Deoarece chimia este compușii organometalici este abundent: este suficient să schimbi metalul (Pt, Pd, Rh, Ni) și liganzii (moleculele organice sau anorganice legate de centrul metalic), pentru a obține un nou catalizator.

Eterogen

Hidrogenarea catalitică heterogenă, după cum am menționat, are două faze: una lichidă și una solidă.

În plus față de catalizatorii metalici, există și alții care constau dintr-un amestec solid; de exemplu, catalizatorul Lindlar, care este format din platină, carbonat de calciu, acetat de plumb și chinolină.

Catalizatorul Lindlar are particularitatea că este deficient pentru hidrogenarea alchenelor; Cu toate acestea, este foarte util pentru hidrogenări parțiale, adică funcționează excelent pe alchine:

RC≡CR + H ₂ => = CHR RHC

Mecanism

Imaginea arată mecanismul de hidrogenare catalitică folosind metal sub formă de catalizator.

Sferele gălbuie corespund suprafeței metalice a, să zicem, a platinei. H ₂ molecula (culoare mov) se apropie de suprafața metalică ca face tetra substituit alchenă, R ₂ C = CR ₂ .

H ₂ interacționează cu electronii care trec prin atomii de metal, și o ruptură și formarea unei legături HM temporară are loc, unde M este metalul. Acest proces este cunoscut sub denumirea de chemisorbție; adică o adsorbție de către forțele chimice.

Alchenul interacționează într-un mod similar, dar legătura este formată prin legătura sa dublă (linia punctată). Legătura HH s-a disociat deja și fiecare atom de hidrogen rămâne legat de metal; procedează la fel cu centrele metalice din catalizatorii organometalici, formând un complex HMH intermediar.

Apoi are loc o migrare a unei H către dubla legătură, iar aceasta se deschide formând o legătură cu metalul. H Restul apoi se leagă la celălalt carbon al dublei legături original și aleanul produs, R ₂ HC-CHR ₂ , este în cele din urmă eliberat .

Acest mecanism se va repeta de câte ori este necesar, până când toate H ₂ a reacționat complet.

Referințe

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimie organica. Aminele. ( Ediția ^a 10- ^a .) Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Chimie organica. (Ediția a șasea). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (A patra editie). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (nd). Hidrogenarea catalitică a alchenelor. Chimie LibreTexturi. Recuperat din: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Ce este hidrogenarea catalitică? - Mecanism și reacție. Studiu. Recuperat din: studiu.com