KATALYTISCHE HYDRIERUNG: EIGENSCHAFTEN, TYPEN UND MECHANISMUS - CHEMIE - 2025

Die katalytische Hydrierung ist die Reaktion, bei der molekularer Wasserstoff mit höheren Geschwindigkeiten zu einer Verbindung gegeben wird. Das H ₂ -Molekül muss nicht nur zuerst seine kovalente Bindung aufbrechen, sondern ist auch weniger wahrscheinlich, da es so klein ist, dass effiziente Kollisionen zwischen ihm und der Verbindung, zu der es hinzugefügt wird, auftreten.

Die Wasserstoffrezeptorverbindung kann entweder organisch oder anorganisch sein. Beispiele für eine katalytische Hydrierung finden sich am häufigsten in organischen Verbindungen; insbesondere solche, die pharmakologische Aktivität aufweisen oder deren Metalle Metalle enthalten (metallorganische Verbindungen).

Quelle: Gabriel Bolívar

Was passiert, wenn H ₂ zu einer kohlenstoffgepackten Struktur hinzugefügt wird ? Seine Ungesättigtheit nimmt ab, dh Kohlenstoff erreicht den maximalen Grad an einfachen Bindungen, den er bilden kann.

Daher wird H ₂ zu Doppelbindungen (C = C) und Dreifachbindungen (C≡C) hinzugefügt; obwohl es auch zu Carbonylgruppen hinzugefügt werden kann (C = O).

Somit reagieren die zugesetzten Alkene und Alkine durch katalytische Hydrierung. Durch oberflächliche Analyse einer Struktur kann vorhergesagt werden, ob H ₂ hinzugefügt wird, indem nur Doppel- und Dreifachbindungen nachgewiesen werden.

Eigenschaften der katalytischen Hydrierung

Das Bild zeigt den Mechanismus dieser Reaktion. Es ist jedoch notwendig, einige theoretische Aspekte zu behandeln, bevor sie beschrieben werden.

Die Oberflächen der grauen Kugeln stellen die Metallatome dar, die, wie zu sehen sein wird, die Katalysatoren der Hydrierung schlechthin sind.

Wasserstoffbrücken brechen

Die Hydrierung ist zunächst eine exotherme Reaktion, dh sie setzt durch die Bildung von Verbindungen mit geringerer Energie Wärme frei.

Dies erklärt sich aus der Stabilität der gebildeten CH-Bindungen, die für ihr anschließendes Aufbrechen mehr Energie benötigen, als die HH-Bindung von molekularem Wasserstoff erfordert.

Andererseits beinhaltet die Hydrierung immer zuerst das Aufbrechen der HH-Bindung. Dieser Bruch kann homolytisch sein, wie es in vielen Fällen vorkommt:

HH => H ∙ + ∙ H.

Oder heterolytisch, was beispielsweise auftreten kann, wenn Zinkoxid, ZnO, hydriert wird:

HH => H ⁺ + H ^-

Beachten Sie, dass der Unterschied zwischen den beiden Brüchen darin besteht, wie die Elektronen in der Bindung verteilt sind. Wenn sie gleichmäßig (kovalent) verteilt sind, konserviert jedes H ein Elektron; Wenn die Verteilung ionisch ist, endet eines ohne Elektronen, H ⁺ , und das andere gewinnt sie vollständig, H ^- .

Beide Brüche sind bei der katalytischen Hydrierung möglich, obwohl die homolytische die Entwicklung eines logischen Mechanismus dafür ermöglicht.

Experimental

Wasserstoff ist ein Gas und muss daher perlen gelassen werden und es muss sichergestellt sein, dass nur er auf der Oberfläche der Flüssigkeit vorherrscht.

Andererseits muss die zu hydrierende Verbindung in einem Medium gelöst werden, sei es Wasser, Alkohol, Ether, Ester oder ein flüssiges Amin; Andernfalls würde die Hydrierung sehr langsam ablaufen.

Sobald die zu hydrierende Verbindung gelöst ist, muss sich auch ein Katalysator im Reaktionsmedium befinden. Dies ist für die Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit verantwortlich.

Bei der katalytischen Hydrierung werden üblicherweise feinteilige Metalle aus Nickel, Palladium, Platin oder Rhodium verwendet, die in fast allen organischen Lösungsmitteln unlöslich sind. Daher gibt es zwei Phasen: eine flüssige Phase, in der die Verbindung und der Wasserstoff gelöst sind, und eine feste Phase, die des Katalysators.

Diese Metalle bilden ihre Oberfläche für die Reaktion des Wasserstoffs und der Verbindung, so dass das Aufbrechen von Bindungen beschleunigt wird.

Ebenso verringern sie den Diffusionsraum der Spezies und erhöhen die Anzahl effektiver molekularer Kollisionen. Darüber hinaus findet die Reaktion in den Poren des Metalls statt.

Typen

Homogen

Wir sprechen von einer homogenen katalytischen Hydrierung, wenn das Reaktionsmedium aus einer einzigen Phase besteht. Die Verwendung von Metallen in ihren reinen Zuständen passt hier nicht, da sie unlöslich sind.

Stattdessen werden metallorganische Verbindungen dieser Metalle verwendet, die löslich sind und nachweislich hohe Ausbeuten aufweisen.

Eine dieser metallorganischen Verbindungen ist Wilkinsons Katalysator: Tris (triphenylphosphin) rhodiumchlorid , ₃ RhCl. Diese Verbindungen bilden mit H ₂ einen Komplex , der ihn für die anschließende Additionsreaktion zu Alken oder Alkin aktiviert.

Die homogene Hydrierung bietet viel mehr Alternativen als die heterogene. Warum? Da es sich bei der Chemie um metallorganische Verbindungen handelt, ist sie reichlich vorhanden: Es reicht aus, das Metall (Pt, Pd, Rh, Ni) und die Liganden (die mit dem Metallzentrum verbundenen organischen oder anorganischen Moleküle) zu wechseln, um einen neuen Katalysator zu erhalten.

Heterogen

Die heterogene katalytische Hydrierung besteht, wie gerade erwähnt, aus zwei Phasen: einer flüssigen und einer festen.

Neben metallischen Katalysatoren gibt es andere, die aus einer festen Mischung bestehen; Zum Beispiel Lindlars Katalysator, der aus Platin, Calciumcarbonat, Bleiacetat und Chinolin besteht.

Der Lindlar-Katalysator hat die Besonderheit, dass ihm die Hydrierung von Alkenen fehlt; Es ist jedoch sehr nützlich für partielle Hydrierungen, dh es funktioniert hervorragend bei Alkinen:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Mechanismus

Das Bild zeigt den Mechanismus der katalytischen Hydrierung unter Verwendung von Metallpulver als Katalysator.

Die grauen Kugeln entsprechen der metallischen Oberfläche von beispielsweise Platin. Das H ₂ -Molekül (violette Farbe) nähert sich der Metalloberfläche, ebenso wie das tetra-substituierte Alken R ₂ C = CR ₂ .

Das H ₂ interagiert mit den Elektronen, die durch die Atome des Metalls laufen, und es tritt ein Bruch und eine Bildung einer temporären Bindung HM auf, wobei M das Metall ist. Dieser Prozess ist als Chemisorption bekannt; das heißt, eine Adsorption durch chemische Kräfte.

Alken interagiert auf ähnliche Weise, aber die Bindung wird durch seine Doppelbindung (gepunktete Linie) gebildet. Die HH-Bindung ist bereits dissoziiert und jedes Wasserstoffatom bleibt an das Metall gebunden. Gleiches gilt für die Metallzentren in metallorganischen Katalysatoren, die einen intermediären HMH-Komplex bilden.

Es tritt dann eine Wanderung eines H in Richtung der Doppelbindung auf, und diese öffnet sich und bildet eine Bindung mit dem Metall. Das verbleibende H bindet dann an den anderen Kohlenstoff der ursprünglichen Doppelbindung und das erzeugte Alkan, R ₂ HC-CHR ₂ , wird schließlich freigesetzt .

Dieser Mechanismus wird so oft wie nötig wiederholt, bis das gesamte H ₂ vollständig reagiert hat.

Verweise

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