KATALYTISCHE HYDROGENERING: KENMERKEN, TYPEN EN MECHANISME - CHEMIE - 2026

De katalytische hydrogenering is de reactie waarbij moleculaire waterstof met hogere snelheden aan een verbinding wordt toegevoegd. Niet alleen moet de H ₂ molecuul eerst breken de covalente binding, maar ook zo klein, efficiënt botsingen tussen deze en de verbinding waaraan het minder waarschijnlijk wordt toegevoegd.

De waterstofreceptorverbinding kan organisch of anorganisch zijn. Voorbeelden van katalytische hydrogenering worden meestal aangetroffen in organische verbindingen; in het bijzonder die welke farmacologische activiteit vertonen, of die metalen in hun structuren hebben (organometaalverbindingen).

Bron: Gabriel Bolívar

Wat gebeurt er als H ₂ wordt toegevoegd aan een koolstof gepakte structuur? De onverzadiging neemt af, dat wil zeggen dat koolstof de maximale graad van eenvoudige bindingen bereikt die het kan vormen.

Daarom H ₂ toegevoegd om dubbele (C = C) en triple (C = C) bindingen; hoewel het ook kan worden toegevoegd aan carbonylgroepen (C = O).

De toegevoegde alkenen en alkynen reageren dus door katalytische hydrogenering. Door oppervlakkig analyseren elke constructie kan worden voorspeld of het H toevoegt ₂ alleen door het detecteren van dubbele en driedubbele bindingen.

Kenmerken van katalytische hydrogenering

De afbeelding toont het mechanisme van deze reactie. Het is echter noodzakelijk om enkele theoretische aspecten te bespreken alvorens deze te beschrijven.

De oppervlakken van de grijsachtige bollen stellen de metaalatomen voor die, zoals we zullen zien, bij uitstek de katalysatoren van de hydrogenering zijn.

Waterstofbinding breekt

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

Dit wordt verklaard door de stabiliteit van de gevormde CH-bindingen, die meer energie nodig hebben voor hun daaropvolgende verbreking dan de HH-binding van moleculaire waterstof vereist.

Aan de andere kant omvat hydrogenering altijd eerst het verbreken van de HH-binding. Deze breuk kan homolytisch zijn, zoals in veel gevallen gebeurt:

HH => H ∙ + ∙ H

Of heterolytisch, wat bijvoorbeeld kan voorkomen wanneer zinkoxide, ZnO, wordt gehydrogeneerd:

HH => H ⁺ + H ^-

Merk op dat het verschil tussen de twee breuken ligt in hoe de elektronen in de binding worden verdeeld. Als ze gelijkmatig (covalent) zijn verdeeld, behoudt elke H uiteindelijk één elektron; terwijl als de distributie ionisch is, de ene eindigt zonder elektronen, H ⁺ , en de andere ze volledig verkrijgt, H ^- .

Beide breuken zijn mogelijk bij katalytische hydrogenering, hoewel de homolytische breuk het mogelijk maakt om hiervoor een logisch mechanisme te ontwikkelen.

Experimenteel

Waterstof is een gas en daarom moet het worden geborreld en moet ervoor worden gezorgd dat alleen het overheerst op het oppervlak van de vloeistof.

Aan de andere kant moet de te hydrogeneren verbinding worden opgelost in een medium, of het nu water, alcohol, ether, esters of een vloeibaar amine is; anders zou de hydrogenering zeer langzaam verlopen.

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

Bij katalytische hydrogenering worden vaak fijn verdeelde metalen van nikkel, palladium, platina of rhodium gebruikt, die in bijna alle organische oplosmiddelen onoplosbaar zijn. Daarom zullen er twee fasen zijn: een vloeibare fase waarin de verbinding en waterstof zijn opgelost, en een vaste fase, die van de katalysator.

Deze metalen leveren hun oppervlak voor de reactie van waterstof en verbinding, zodanig dat het verbreken van bindingen wordt versneld.

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

Soorten

Homogeen

We spreken van homogene katalytische hydrogenering als het reactiemedium uit een enkele fase bestaat. Het gebruik van metalen in hun zuivere toestand past hier niet, omdat ze onoplosbaar zijn.

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

Een van deze organometaalverbindingen is de katalysator van Wilkinson: tris (trifenylfosfine) rhodiumchloride, ₃ RhCl. Deze verbindingen vormen een complex met H ₂ , activeren om de daaropvolgende additiereactie tot alkeen of alkyn.

Homogene hydrogenering biedt veel meer alternatieven dan heterogene. Waarom? Omdat de chemie is dat de organometaalverbindingen overvloedig aanwezig zijn: het volstaat om het metaal (Pt, Pd, Rh, Ni) en de liganden (de organische of anorganische moleculen gekoppeld aan het metaalcentrum) te veranderen om een ​​nieuwe katalysator te verkrijgen.

Heterogeen

Heterogene katalytische hydrogenering kent, zoals zojuist vermeld, twee fasen: een vloeibare en een vaste.

Naast metallische katalysatoren zijn er andere die uit een vast mengsel bestaan; bijvoorbeeld de katalysator van Lindlar, die bestaat uit platina, calciumcarbonaat, loodacetaat en chinoline.

De Lindlar-katalysator heeft de bijzonderheid dat hij tekortschiet voor de hydrogenering van alkenen; Het is echter erg handig voor gedeeltelijke hydrogeneringen, dat wil zeggen dat het uitstekend werkt op alkynen:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Mechanisme

De afbeelding toont het mechanisme van katalytische hydrogenering met metaalpoeder als katalysator.

De grijsachtige bollen komen overeen met het metalen oppervlak van bijvoorbeeld platina. H ₂ molecuul (paarse kleur) geeft het metaaloppervlak zoals de tetra-gesubstitueerd alkeen, R ₂ C = CR ₂ .

H ₂ interageert met elektronen die worden uitgevoerd door de atomen van het metaal en een breuk en de vorming van een tijdelijke HM binding voorkomt, waarbij M het metaal. Dit proces staat bekend als chemisorptie; dat wil zeggen een adsorptie door chemische krachten.

Alkene werkt op een vergelijkbare manier samen, maar de binding wordt gevormd door zijn dubbele binding (stippellijn). De HH-binding is al gedissocieerd en elk waterstofatoom blijft aan het metaal gebonden; het doet hetzelfde met de metaalcentra in organometaalkatalysatoren en vormt een tussenliggend HMH-complex.

Er vindt dan een migratie van een H plaats naar de dubbele binding, en deze opent en vormt een binding met het metaal. De resterende H Vervolgens bindt aan het andere koolstofatoom van het oorspronkelijke dubbele binding en het gevormde alkaan, R ₂ HC-CHR ₂ is eindelijk .

Dit mechanisme wordt zo vaak als nodig is, totdat alle H ₂ volledig gereageerd.

Referenties

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. Amines. (10 ^e editie.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Organische chemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (zd). Katalytische hydrogenering van alkenen. Chemie LibreTexts. Hersteld van: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Wat is katalytische hydrogenering? - Mechanisme en reactie. Studie. Hersteld van: study.com