Katalytische hydrogeneringseigenschappen, typen en mechanisme

de katalytische hydrogenering is de reactie waarbij moleculaire waterstof wordt toegevoegd aan een verbinding bij hogere snelheden. Het molecuul van H₂ niet alleen moet het eerst zijn covalente binding verbreken, maar ook omdat het zo kleine, efficiënte botsingen tussen het en de verbinding waaraan het zal worden toegevoegd, minder waarschijnlijk is..

De waterstofreceptorverbinding kan organisch of anorganisch zijn. In organische verbindingen worden meer voorbeelden van katalytische hydrogenering gevonden; vooral die met farmacologische activiteit, of die metalen in hun structuren hebben opgenomen (organometaalverbindingen).

Wat gebeurt er als H wordt toegevoegd?₂ naar een structuur vol koolstof? Het vermindert zijn onverzadiging, dat wil zeggen, koolstof bereikt de maximale mate van eenvoudige bindingen die zich kunnen vormen.

Daarom is de H₂ het wordt toegevoegd aan doubles (C = C) en triples (C≡C) -obligaties; hoewel het ook kan worden toegevoegd aan de carbonylgroepen (C = O).

Alkenen en alkynen worden dus in reactie gebracht door katalytische hydrogenering. Door oppervlakkig elke structuur te analyseren, kan worden voorspeld of deze H zal toevoegen of niet₂ met alleen het detecteren van dubbele en drievoudige koppelingen.

index

• 1 Kenmerken van katalytische hydrogenering
  • 1.1 Breuken van de waterstofbrug
  • 1.2 Experimenteel
• 2 soorten
  • 2.1 Homogeen
  • 2.2 Heterogeen
• 3 Mechanisme
• 4 Referenties

Kenmerken van katalytische hydrogenering

Het mechanisme van deze reactie wordt getoond in de afbeelding. Het is echter noodzakelijk om enkele theoretische aspecten aan te pakken voordat je het beschrijft.

De oppervlakken van de grijsachtige bollen vertegenwoordigen de metaalatomen die, zoals te zien is, de katalysatoren zijn van de hydrogenering bij uitstek.

Waterstofbindingen scheuren

Om te beginnen, hydrogenering is een exotherme reactie, dat wil zeggen, het releases warmte als gevolg van de vorming van lagere energie verbindingen.

Dit wordt verklaard door de stabiliteit van de gevormde C-H-bindingen, die meer energie vereisen voor de daaropvolgende breuk dan die vereist door de H-H-binding van moleculaire waterstof..

Aan de andere kant omvat hydrogenering altijd het breken van de H-H-binding als eerste. Deze breuk kan homolytisch zijn, zoals in veel gevallen:

H-H => H ∙ + ∙ H

Of heterolítica, wat bijvoorbeeld kan gebeuren wanneer zinkoxide wordt gehydrogeneerd, ZnO:

H-H => H⁺ + H^-

Merk op dat het verschil tussen de twee breuken ligt in hoe de elektronen in de binding worden verdeeld. Als ze gelijk verdeeld zijn (covalent), eindigt elke H een elektron; terwijl als de distributie ionisch is, er één eindigt zonder elektronen, H⁺, en de ander wint ze volledig, H^-.

Beide breuken zijn mogelijk bij katalytische hydrogenering, hoewel homolytisch de ontwikkeling van een logisch mechanisme hiervoor mogelijk maakt.

experimenteel

Waterstof is een gas en moet daarom worden geborreld en gegarandeerd dat alleen het op het oppervlak van de vloeistof de boventoon voert.

Anderzijds moet de verbinding die moet worden gehydrogeneerd oplosbaar worden gemaakt in een medium, of dit nu water, alcohol, ether, esters of een vloeibaar amine is; anders zou de hydrogenering zeer langzaam verlopen.

Zodra de te hydrogeneren verbinding is opgelost, moet er ook een katalysator in het reactiemedium zijn. Dit zal verantwoordelijk zijn voor het versnellen van de reactiesnelheid.

Bij de katalytische hydrogenering wordt gewoonlijk fijn verdeelde metalen nikkel, palladium, platina of rhodium, die onoplosbaar in bijna alle organische oplosmiddelen zijn. Daarom zullen er twee fasen: een vloeistof met de verbinding en opgeloste waterstof en een vaste katalysator.

Deze metalen dragen hun oppervlak bij, zodat de waterstof en de verbinding reageren, op een zodanige wijze dat de breuken van de banden worden gewikkeld.

Evenzo verminderen ze de verspreidingsruimte van de soort, waardoor het aantal effectieve moleculaire botsingen toeneemt. Niet alleen dat, maar zelfs de reactie vindt plaats binnen de poriën van het metaal.

type

homogeen

Er is sprake van homogene katalytische hydrogenering wanneer het reactiemedium uit een enkele fase bestaat. Hier is geen plaats voor het gebruik van metalen in hun zuivere staat, omdat ze onoplosbaar zijn.

In plaats daarvan worden organometaalverbindingen van deze metalen gebruikt, die oplosbaar zijn en waarvan is aangetoond dat deze hoge opbrengsten hebben..

Een van deze organometallische verbindingen is de katalysator van Wilkinson: tris (trifenylfosfine) rhodiumchloride, [(C₆H₅)₃P]₃RhCl. Deze verbindingen vormen een complex met H₂, activeren voor de daaropvolgende additiereactie op alkeen of alkyn.

Homogene hydrogenering heeft veel meer mogelijkheden dan de heterogene. Waarom? Omdat chemie is organometaalverbindingen overvloedig: gewoon de metalen (Pt, Pd, Rh, Ni) en het ligand (organische of anorganische moleculen gebonden aan het metaalcentrum) wijzigen voor een nieuwe katalysator.

heterogeen

De heterogene katalytische hydrogenering, zoals zojuist genoemd, heeft twee fasen: één vloeistof en één vaste stof.

Naast metaalkatalysatoren zijn er andere die uit een vast mengsel bestaan; bijvoorbeeld de Lindlar-katalysator, die is samengesteld uit platina, calciumcarbonaat, loodacetaat en chinoline.

De Lindlar-katalysator heeft de bijzonderheid dat deze deficiënt is voor de hydrogenering van de alkenen; het is echter erg handig voor gedeeltelijke hydrogeneringen, dat wil zeggen, het werkt uitstekend op de alkynes:

RC≡CR + H₂ => RHC = CHR

mechanisme

De afbeelding toont het mechanisme van katalytische hydrogenering met behulp van een verpulverd metaal als een katalysator.

De grijsachtige bollen komen overeen met het metalen oppervlak van bijvoorbeeld platina. Het molecuul H₂ (paarse kleur) nadert het metaaloppervlak zoals het tetra-gesubstitueerde alkeen, R₂C = CR₂.

De H₂ interageert met de elektronen die door de metaalatomen lopen, en er treedt een breuk op en een tijdelijke binding vormt H-M, waarbij M het metaal is. Dit proces staat bekend als chemisorptie; dat wil zeggen, een adsorptie door chemische krachten.

Alkene werkt op dezelfde manier samen, maar de koppeling vormt het met zijn dubbele binding (stippellijn). De H-H-binding is al gedissocieerd en elk waterstofatoom blijft gebonden aan het metaal; op dezelfde manier als bij de metaalcentra in de organometaalkatalysatoren, waardoor een tussencomplex H-M-H wordt gevormd.

Vervolgens vindt een migratie van een H naar de dubbele binding plaats en deze opent zich en vormt een verbinding met het metaal. Vervolgens sluit de overblijvende H zich aan bij de andere koolstof van de oorspronkelijke dubbele binding en wordt de geproduceerde alkaan uiteindelijk afgegeven, R₂HC-CHR₂.

Dit mechanisme zal zo vaak als nodig herhaald worden, tot alle H₂ volledig hebben gereageerd.

referenties

1. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. Aminen. (10^th editie.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Organische chemie (Zesde editie). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische chemie (Vierde editie). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (s.f.). Katalytische hydrogenering van alkenen. Chemie LibreTexts. Teruggeplaatst van: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Wat is katalytische hydrogenering? - Mechanisme & reactie. Study. Teruggeplaatst van: study.com