Il idrogenazione catalitica È la reazione mediante la quale l'idrogeno molecolare viene aggiunto a un composto a velocità più elevate. La molecola H.Due Non solo deve prima rompere il suo legame covalente, ma anche, essendo così piccole, le collisioni efficienti tra esso e il composto a cui verrà aggiunto sono meno probabili..
Il composto recettore dell'idrogeno può essere organico o inorganico. Nei composti organici si trovano la maggior parte degli esempi di idrogenazione catalitica; soprattutto quelli che hanno attività farmacologica, o che hanno metalli incorporati nelle loro strutture (composti organometallici).
Cosa succede quando si aggiunge H.Due a una struttura piena di carbonio? La sua insaturazione diminuisce, cioè il carbonio raggiunge il massimo grado di legami semplici che può formare.
Pertanto, l'HDue si aggiunge ai legami doppio (C = C) e triplo (C≡C); sebbene possa anche essere aggiunto ai gruppi carbonilici (C = O).
Pertanto, gli alcheni e gli alchini aggiunti reagiscono mediante idrogenazione catalitica. Analizzando superficialmente qualsiasi struttura, è possibile prevedere se aggiungerà o meno H.Due semplicemente rilevando doppi e tripli legami.
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L'immagine mostra il meccanismo di questa reazione. Tuttavia, è necessario affrontare alcuni aspetti teorici prima di descriverlo.
Le superfici delle sfere grigiastre rappresentano gli atomi metallici che, come si vedrà, sono i catalizzatori dell'idrogenazione per eccellenza..
Per cominciare, l'idrogenazione è una reazione esotermica, cioè rilascia calore a seguito della formazione di composti con minore energia..
Ciò è spiegato dalla stabilità dei legami C-H formati, che richiedono più energia per la loro successiva rottura di quella richiesta dal legame H-H dell'idrogeno molecolare..
D'altra parte, l'idrogenazione implica sempre la rottura prima del legame H-H. Questa rottura può essere omolitica, come accade in molti casi:
H-H => H ∙ + ∙ H
O eterolitico, che può verificarsi, ad esempio, quando l'ossido di zinco, ZnO, è idrogenato:
H-H => H+ + H-
Si noti che la differenza tra le due interruzioni sta nel modo in cui gli elettroni nel legame sono distribuiti. Se sono distribuiti uniformemente (covalentemente), ogni H finisce per conservare un elettrone; mentre se la partizione è ionica, si finisce senza elettroni, H+, e l'altro li vince completamente, H.-.
Entrambe le rotture sono possibili nell'idrogenazione catalitica, sebbene l'omolitica consenta di dare il via allo sviluppo di un meccanismo logico per questo..
L'idrogeno è un gas, quindi deve essere gorgogliato e bisogna assicurarsi che solo esso predomini sulla superficie del liquido..
D'altra parte, il composto da idrogenare deve essere solubilizzato in un mezzo, sia esso acqua, alcool, etere, esteri o un'ammina liquida; altrimenti l'idrogenazione procederebbe molto lentamente.
Dissolto il composto da idrogenare, deve esserci anche un catalizzatore nel mezzo di reazione. Questo sarà responsabile dell'accelerazione della velocità della reazione.
Nell'idrogenazione catalitica vengono spesso utilizzati metalli finemente suddivisi di nichel, palladio, platino o rodio, che sono insolubili in quasi tutti i solventi organici. Ci saranno quindi due fasi: una liquida con il composto e l'idrogeno disciolti, e una solida, quella del catalizzatore..
Questi metalli forniscono la loro superficie affinché l'idrogeno e il composto reagiscano, in modo tale da accelerare la rottura dei legami..
Allo stesso modo, diminuiscono lo spazio di diffusione della specie, aumentando il numero di collisioni molecolari effettive. Non solo, ma anche la reazione avviene all'interno dei pori del metallo..
Si parla di idrogenazione catalitica omogenea quando il mezzo di reazione è costituito da una singola fase. Qui non c'è posto per l'uso dei metalli allo stato puro, poiché sono insolubili.
Invece, vengono utilizzati composti organometallici di questi metalli, che sono solubili e hanno dimostrato di avere rese elevate..
Uno di questi composti organometallici è il catalizzatore di Wilkinson: tris (trifenilfosfina) cloruro di rodio, [(C6H5)3P]3RhCl. Questi composti formano un complesso con H.Due, attivandolo per la sua successiva reazione di addizione ad alchene o alchino.
L'idrogenazione omogenea ha molte più alternative rispetto a quella eterogenea. Perché? Poiché la chimica è che i composti organometallici sono abbondanti: è sufficiente cambiare il metallo (Pt, Pd, Rh, Ni) e i ligandi (le molecole organiche o inorganiche legate al centro metallico), per ottenere un nuovo catalizzatore.
L'idrogenazione catalitica eterogenea, come appena accennato, ha due fasi: una liquida e l'altra solida..
Oltre ai catalizzatori metallici, ce ne sono altri costituiti da una miscela solida; ad esempio, il catalizzatore di Lindlar, che è costituito da platino, carbonato di calcio, acetato di piombo e chinolina.
Il catalizzatore Lindlar ha la particolarità di essere carente per l'idrogenazione degli alcheni; Tuttavia, è molto utile per idrogenazioni parziali, cioè funziona ottimamente sugli alchini:
RC≡CR + HDue => RHC = CHR
L'immagine mostra il meccanismo dell'idrogenazione catalitica utilizzando il metallo in polvere come catalizzatore.
Le sfere grigiastre corrispondono alla superficie metallica, diciamo, del platino. La molecola HDue (colore viola) si avvicina alla superficie del metallo così come l'alchene tetra sostituito, RDueC = CRDue.
La HDue interagisce con gli elettroni che viaggiano attraverso gli atomi del metallo e si verifica una rottura e la formazione di un legame H-M temporaneo, dove M è il metallo. Questo processo è noto come chemisorbimento; cioè un adsorbimento da parte di forze chimiche.
L'alchene interagisce in modo simile, ma il legame è formato dal suo doppio legame (linea tratteggiata). Il legame H-H si è già dissociato e ogni atomo di idrogeno rimane legato al metallo; allo stesso modo lo fa con i centri metallici nei catalizzatori organometallici, formando un complesso intermedio H-M-H.
Poi c'è una migrazione di una H verso il doppio legame, e questo si apre formando un legame con il metallo. L'H rimanente si lega quindi all'altro carbonio del doppio legame originale e l'alcano prodotto, R, viene infine rilasciato.DueHC-CHRDue.
Questo meccanismo verrà ripetuto tante volte quanto necessario, fino a quando tutte le H.Due hanno reagito completamente.
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