การเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันคือปฏิกิริยาที่ไฮโดรเจนโมเลกุลถูกเติมเข้าไปในสารประกอบด้วยความเร็วที่สูงขึ้น ไม่เพียง แต่โมเลกุล H 2จะต้องทำลายพันธะโควาเลนต์ก่อนเท่านั้น แต่การชนกันที่มีขนาดเล็กและมีประสิทธิภาพระหว่างมันกับสารประกอบที่จะถูกเติมเข้าไปนั้นมีโอกาสน้อยกว่า
สารประกอบตัวรับไฮโดรเจนอาจเป็นสารอินทรีย์หรืออนินทรีย์ก็ได้ ตัวอย่างของการเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันมักพบในสารประกอบอินทรีย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งที่มีฤทธิ์ทางเภสัชวิทยาหรือที่มีโลหะรวมอยู่ในโครงสร้าง (สารประกอบออร์แกโนเมทัลลิก)
ที่มา: Gabriel Bolívar
จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อ H 2ถูกเพิ่มเข้าไปในโครงสร้างที่บรรจุคาร์บอน ความไม่อิ่มตัวของมันจะลดลงนั่นคือคาร์บอนถึงระดับสูงสุดของพันธะธรรมดาที่มันสามารถก่อตัวได้
ดังนั้น H 2จึงถูกเพิ่มเข้าไปในพันธะคู่ (C = C) และสาม (C≡C) แม้ว่าจะสามารถเพิ่มลงในกลุ่มคาร์บอนิล (C = O) ได้
ดังนั้นอัลคีนและอัลไคน์ที่เพิ่มเข้ามาจะทำปฏิกิริยาโดยการเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน โดยการวิเคราะห์โครงสร้างแบบผิวเผินจะสามารถคาดเดาได้ว่าจะเพิ่ม H 2หรือไม่เพียงแค่ตรวจจับพันธะคู่และสาม
ลักษณะของการเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน
ภาพแสดงกลไกของปฏิกิริยานี้ อย่างไรก็ตามจำเป็นต้องกล่าวถึงแง่มุมทางทฤษฎีก่อนที่จะอธิบาย
พื้นผิวของทรงกลมสีเทาแสดงถึงอะตอมของโลหะที่จะเห็นได้ว่าเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของการเติมไฮโดรเจนที่เป็นเลิศ
พันธะไฮโดรเจนแตก
เริ่มต้นด้วยการเติมไฮโดรเจนเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนกล่าวคือมันจะปล่อยความร้อนอันเป็นผลมาจากการก่อตัวของสารประกอบที่มีพลังงานต่ำกว่า
สิ่งนี้อธิบายได้จากความเสถียรของพันธะ CH ที่เกิดขึ้นซึ่งต้องการพลังงานมากขึ้นสำหรับการแตกในภายหลังมากกว่าพันธะ HH ของไฮโดรเจนโมเลกุลที่ต้องการ
ในทางกลับกันการเติมไฮโดรเจนจะเกี่ยวข้องกับการทำลายพันธะ HH ก่อนเสมอ การแตกนี้อาจเป็น homolytic เนื่องจากเกิดขึ้นในหลายกรณี:
HH => H ∙ + ∙ H
หรือเฮเทอโรไลติกซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ตัวอย่างเช่นเมื่อซิงค์ออกไซด์ ZnO ถูกเติมไฮโดรเจน:
HH => H + + H -
สังเกตว่าความแตกต่างระหว่างตัวแบ่งทั้งสองอยู่ที่วิธีการกระจายอิเล็กตรอนในพันธะ หากมีการกระจายอย่างเท่าเทียมกัน (โควาเลนต์) แต่ละ H จะมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ขณะที่ถ้ากระจายเป็นไอออนิกหนึ่งปลายขึ้นมาโดยไม่มีอิเล็กตรอน H +และกำไรอื่น ๆ พวกเขาอย่างสมบูรณ์, H -
การแบ่งทั้งสองแบบเป็นไปได้ในการเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันแม้ว่าโฮโมไลติกจะช่วยให้สามารถพัฒนากลไกเชิงตรรกะสำหรับสิ่งนี้ได้
การทดลอง
ไฮโดรเจนเป็นก๊าซดังนั้นจึงต้องมีฟองและต้องมั่นใจว่ามีเพียงไฮโดรเจนเท่านั้นที่อยู่เหนือพื้นผิวของของเหลว
ในทางกลับกันสารประกอบที่จะเติมไฮโดรเจนจะต้องถูกละลายในตัวกลางไม่ว่าจะเป็นน้ำแอลกอฮอล์อีเธอร์เอสเทอร์หรือเอมีนเหลว มิฉะนั้นการเติมไฮโดรเจนจะดำเนินไปอย่างช้าๆ
เมื่อสารประกอบที่จะเติมไฮโดรเจนละลายแล้วจะต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาในตัวกลางของปฏิกิริยาด้วย สิ่งนี้จะทำหน้าที่เร่งความเร็วของปฏิกิริยา
ในการเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันมักใช้โลหะที่แบ่งอย่างประณีตของนิกเกิลแพลเลเดียมแพลทินัมหรือโรเดียมซึ่งไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์เกือบทั้งหมด ดังนั้นจะมีสองขั้นตอนคือเฟสของเหลวที่มีสารประกอบและไฮโดรเจนละลายและเฟสของแข็งของตัวเร่งปฏิกิริยา
โลหะเหล่านี้ให้พื้นผิวสำหรับไฮโดรเจนและสารประกอบในการทำปฏิกิริยาในลักษณะที่เร่งการทำลายพันธะ
ในทำนองเดียวกันพวกมันลดพื้นที่แพร่กระจายของสิ่งมีชีวิตเพิ่มจำนวนการชนกันของโมเลกุลที่มีประสิทธิภาพ ไม่เพียงแค่นั้น แต่ยังเกิดปฏิกิริยาขึ้นภายในรูพรุนของโลหะด้วย
ประเภท
เหมือนกัน
เราพูดถึงการเติมไฮโดรเจนด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันเมื่อตัวกลางของปฏิกิริยาประกอบด้วยเฟสเดียว การใช้โลหะในสถานะบริสุทธิ์ไม่เหมาะกับที่นี่เนื่องจากไม่ละลายน้ำ
แทนที่จะใช้สารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกของโลหะเหล่านี้ซึ่งละลายน้ำได้และแสดงให้เห็นว่ามีผลผลิตสูง
หนึ่งในสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกเหล่านี้คือตัวเร่งปฏิกิริยาของวิลคินสัน: ทริส (triphenylphosphine) โรเดียมคลอไรด์3 RhCl สารประกอบเหล่านี้ก่อตัวเป็นสารประกอบเชิงซ้อนโดยมี H 2กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาต่อจากอัลคีนหรืออัลคีน
การเติมไฮโดรเจนที่เป็นเนื้อเดียวกันนำเสนอทางเลือกอื่น ๆ อีกมากมายนอกเหนือจากความแตกต่างกัน ทำไม? เนื่องจากเคมีเป็นสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกที่มีอยู่มากมายจึงเพียงพอที่จะเปลี่ยนโลหะ (Pt, Pd, Rh, Ni) และลิแกนด์ (โมเลกุลอินทรีย์หรืออนินทรีย์ที่เชื่อมโยงกับศูนย์กลางโลหะ) เพื่อให้ได้ตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่
ต่างกัน
การเติมไฮโดรเจนด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันดังที่ได้กล่าวไปแล้วมีสองขั้นตอน: ของเหลวหนึ่งและหนึ่งของแข็ง
นอกจากตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะแล้วยังมีส่วนผสมอื่น ๆ ที่เป็นของแข็ง ตัวอย่างเช่นตัวเร่งปฏิกิริยาของ Lindlar ซึ่งประกอบด้วยทองคำขาวแคลเซียมคาร์บอเนตตะกั่วอะซิเตตและควิโนลีน
ตัวเร่งปฏิกิริยาลินด์ลาร์มีลักษณะเฉพาะที่ไม่เพียงพอสำหรับการเติมไฮโดรเจนของอัลคีน อย่างไรก็ตามมันมีประโยชน์มากสำหรับการเติมไฮโดรเจนบางส่วนนั่นคือมันทำงานได้ดีเยี่ยมกับแอลไคน์:
RC≡CR + H 2 => RHC = CHR
กลไก
ภาพแสดงกลไกการเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันโดยใช้โลหะผงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
ทรงกลมสีเทาตรงกับพื้นผิวโลหะของทองคำขาว ความ H 2โมเลกุล(สีม่วง) วิธีพื้นผิวโลหะเช่นเดียวกับ Tetra แทนคีน, R 2 C = CR 2
H 2 ทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนที่วิ่งผ่านอะตอมของโลหะและเกิดการแตกและการก่อตัวของ HM พันธะชั่วคราวโดยที่ M คือโลหะ กระบวนการนี้เรียกว่าการดูดซับทางเคมี นั่นคือการดูดซับโดยกองกำลังเคมี
แอลคีนมีปฏิสัมพันธ์ในลักษณะเดียวกัน แต่พันธะเกิดจากพันธะคู่ (เส้นประ) พันธะ HH ได้แยกตัวออกไปแล้วและอะตอมของไฮโดรเจนแต่ละตัวยังคงยึดติดกับโลหะ มันทำเช่นเดียวกันกับศูนย์โลหะในตัวเร่งปฏิกิริยาออร์แกโนเมทัลลิกซึ่งก่อตัวเป็นคอมเพล็กซ์ HMH ระดับกลาง
จากนั้นจะเกิดการโยกย้าย H ไปยังพันธะคู่และสิ่งนี้จะเปิดขึ้นเพื่อสร้างพันธะกับโลหะ ความ H ที่เหลือแล้วผูกกับคาร์บอนอื่น ๆ ของพันธะคู่เดิมและเคนผลิต, R 2 HC-CHR 2จะเปิดตัวในที่สุด
กลไกนี้จะถูกทำซ้ำหลาย ๆ ครั้งเท่าที่จำเป็นจนกว่า H 2ทั้งหมดจะตอบสนองเต็มที่
อ้างอิง
- Graham Solomons TW, Craig B.Fryhle (2011) เคมีอินทรีย์. เอมีน (10 THฉบับ.) ไวลีย์พลัส
- แครี่ F. (2008). เคมีอินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่หก). Mc Graw Hill
- ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
- ลิว J. (nd). การเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจีเนชันของแอลเคน เคมี LibreTexts สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
- โจนส์ดี. (2018). Catalytic Hydrogenation คืออะไร? - กลไกและปฏิกิริยา ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com