- Característiques de la hidrogenació catalítica
- Ruptures de l'enllaç d'hidrogen
- experimentals
- tipus
- homogènia
- heterogènia
- mecanisme
- referències
La hidrogenació catalítica és la reacció mitjançant la qual s'addiciona hidrogen molecular en un compost a majors velocitats. La molècula d'H 2 no només ha de primer trencar el seu enllaç covalent, sinó que a més, a l'ésser tan petita són menys probables les col·lisions eficients entre ella i el compost a on s'ha d'afegir.
El compost receptor de l'hidrogen bé pot ser orgànic o inorgànic. En els compostos orgànics són on més es troben exemples d'hidrogenació catalítica; especialment, aquelles que presenten activitat farmacològica, o que tenen incorporats metalls en les seves estructures (compostos organometàl·lics).
Font: Gabriel Bolívar
Què passa quan s'addiciona H 2 a una estructura plena de carboni? Disminueix el seu insaturació, és a dir, el carboni arriba al grau màxim d'enllaços simples que pot formar.
Per tant, l'H 2 s'addiciona als dobles (C = C) i triples (C≡C) enllaços; encara que també pot addicionar als grups carbonils (C = O).
Així, els alquens i alquins afegeixen reaccionen per hidrogenació catalítica. Analitzant superficialment qualsevol estructura, pot predir si aquesta d'afegir o no H 2 amb sol detectar dobles i triples enllaços.
Característiques de la hidrogenació catalítica
A la imatge es mostra el mecanisme d'aquesta reacció. No obstant això, cal abordar alguns aspectes teòrics abans de descriure-ho.
Les superfícies de les esferes grisenques representen els àtoms metàl·lics que, com es veurà, són els catalitzadors de la hidrogenació per excel·lència.
Ruptures de l'enllaç d'hidrogen
Per començar, la hidrogenació és una reacció exotèrmica, és a dir, allibera calor com a resultat de la formació de compostos amb menor energia.
Això s'explica en l'estabilitat dels enllaços CH formats, els quals requereixen de major energia per a la posterior ruptura que la que necessita l'enllaç HH de l'hidrogen molecular.
D'altra banda, la hidrogenació sempre involucra primer la ruptura de l'enllaç HH. Aquesta ruptura pot ser homolítica, com passa en molts casos:
HH => H ∙ + ∙ H
O heterolítica, la qual pot donar-se, per exemple, quan s'hidrogena l'òxid de zinc, ZnO:
HH => H + + H -
Cal notar que la diferència entre les dues ruptures rau en com es distribueixen els electrons de l'enllaç. Si es reparteixen equitativament (covalentment), cada H acaba conservant un electró; mentre que si la repartició és de manera iònica, un acaba sense electrons, H +, i l'altre els guanya per complet, H -.
Les dues ruptures són possibles en la hidrogenació catalítica, tot i que la homolític permet donar pas a el desenvolupament d'un mecanisme lògic per a aquesta.
experimentals
L'hidrogen és un gas, i per tant, ha de burbujearse i garantir que només ell predomini sobre la superfície de el líquid.
D'altra banda, el compost a hidrogenar ha de solubilitzar en un mitjà, sigui aigua, alcohol, èter, èsters o una amina líquida; en cas contrari, la hidrogenació transcorreria molt lentament.
Dissolt el compost a hidrogenar, ha d'haver també un catalitzador en el medi de reacció. Aquest serà el responsable d'accelerar la velocitat de la reacció.
A la hidrogenació catalítica sol usar-se metalls finament dividits de níquel, pal·ladi, platí o rodi, els quals són insolubles en gairebé tots els solvents orgànics. Per tant hi haurà dues fases: una líquida amb el compost i l'hidrogen dissolts, i una sòlida, la de l'catalitzador.
Aquests metalls aporten la seva superfície perquè l'hidrogen i el compost reaccionin, de tal manera que s'agiliten els trencaments d'enllaços.
Així mateix, disminueixen l'espai de difusió de les espècies, augmentant el nombre de col·lisions moleculars efectives. No només això, sinó que fins i tot la reacció pren lloc dins dels porus de l'metall.
tipus
homogènia
Es parla d'hidrogenació catalítica homogènia quan el medi de reacció consisteix d'una sola fase. Aquí no hi ha lloc l'ús de metalls en els seus estats purs, ja que són insolubles.
En comptes d'això, s'utilitzen compostos organometàl·lics d'aquests metalls, que sí que són solubles, i han demostrat tenir alts rendiments.
Un d'aquests compostos organometàl·lics és el catalitzador de Wilkinson: clorur de tris (trifenilfosfina) rodi, 3 RhCl. Aquests compostos formen un complex amb l'H 2, activant-per a la posterior reacció d'addició a l'alquè o alquí.
La hidrogenació homogènia presenta moltes més alternatives que l'heterogènia. Per què? Perquè la química és dels compostos organometàl·lics és abundant: només cal canviar el metall (Pt, Pd, Rh, Ni) i els lligands (les molècules orgàniques o inorgàniques enllaçades a centre metàl·lic), per obtenir un nou catalitzador.
heterogènia
La hidrogenació catalítica heterogènia, com acaba d'esmentar-, posseeix dues fases: una líquida i una altra sòlida.
A més dels catalitzadors metàl·lics, hi ha altres que consisteixen d'una barreja sòlida; per exemple, el catalitzador de Lindlar, que es compon de platí, carbonat de calci, acetat de plom, i quinolina.
El catalitzador de Lindlar té la particularitat que és deficient per a la hidrogenació dels alquens; però, és de gran utilitat per hidrogenacions parcials, és a dir, funciona excel·lentment sobre els alquins:
RC≡CR + H 2 => RHC = CHR
mecanisme
A la imatge es mostra el mecanisme de la hidrogenació catalítica utilitzant com a catalitzador un metall polvoritzat.
Les esferes grisenques corresponen a la superfície metàl·lica de, per dir, platí. La molècula H 2 (color morat) s'aproxima a la superfície metàl·lica a l'igual que l'alquè tetra substituït, R 2 C = CR 2.
El H 2 interacciona amb els electrons que recorren els àtoms de l'metall, i ocorre una ruptura i formació d'un enllaç temporal HM, on M és el metall. A aquest procés se li coneix com quimisorció; és a dir, una adsorció mitjançant forces químiques.
El alquè interacciona d'una manera similar, però l'enllaç el forma amb el seu doble enllaç (línia puntejada). L'enllaç HH ja s'ha dissociat i cada àtom d'hidrogen roman enllaçat a l'metall; de la mateixa manera ho fa amb els centres metàl·lics en els catalitzadors organometàl·lics, formant un complex intermediari HMH.
Ocorre llavors una migració d'un H cap al doble enllaç, i aquest s'obre formant un enllaç amb el metall. Després, l'H restant s'uneix a l'altre carboni del doble enllaç original, i s'allibera finalment el alcà produït, R 2 HC-CHR 2.
Aquest mecanisme es repetirà tantes vegades com sigui necessari, fins que tot el H 2 hagi reaccionat del tot.
referències
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. Amines. (10 th edition.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Química Orgànica. (Sisena edició). Mc Graw Hill.
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
- Lew J. (sf). Catalytic Hydrogenation of Alkenes. Chemistry LibreTexts. Recuperat de: chem.libretexts.org
- Jones D. (2018). Què és el Catalytic Hydrogenation? - Mechanism & Reaction. Study. Recuperat de: study.com