QUÁ TRÌNH HYDRO HÓA XÚC TÁC: ĐẶC ĐIỂM, LOẠI VÀ CƠ CHẾ - HÓA HỌC - 2025

Quá trình hydro hóa xúc tác là phản ứng mà hydro phân tử được thêm vào một hợp chất ở tốc độ cao hơn. Không chỉ đầu tiên phân tử H ₂ phải phá vỡ liên kết cộng hóa trị của nó, mà còn ít khả năng xảy ra va chạm hiệu quả giữa nó với hợp chất mà nó sẽ được thêm vào.

Hợp chất tiếp nhận hydro có thể là hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ. Ví dụ về quá trình hydro hóa xúc tác thường được tìm thấy trong các hợp chất hữu cơ; đặc biệt là những chất có hoạt tính dược lý, hoặc có kim loại kết hợp trong cấu trúc của chúng (hợp chất cơ kim).

Nguồn: Gabriel Bolívar

Điều gì xảy ra khi H ₂ được thêm vào cấu trúc có cacbon? Độ không bão hòa của nó giảm, tức là, cacbon đạt đến mức độ tối đa của các liên kết đơn giản mà nó có thể hình thành.

Do đó, H ₂ được thêm vào liên kết đôi (C = C) và liên kết ba (C≡C); mặc dù nó cũng có thể được thêm vào nhóm cacbonyl (C = O).

Do đó, anken và anken được thêm vào phản ứng bằng cách xúc tác hydro hóa. Bằng cách phân tích bề ngoài bất kỳ cấu trúc nào, có thể dự đoán nó có thêm H ₂ hay không chỉ bằng cách phát hiện các liên kết đôi và ba.

Đặc điểm của quá trình hydro hóa xúc tác

Hình ảnh cho thấy cơ chế của phản ứng này. Tuy nhiên, cần phải giải quyết một số khía cạnh lý thuyết trước khi mô tả nó.

Bề mặt của những quả cầu màu xám đại diện cho các nguyên tử kim loại, như sẽ thấy, là chất xúc tác của quá trình hydro hóa xuất sắc.

Liên kết hydro bị đứt

Để bắt đầu, quá trình hydro hóa là một phản ứng tỏa nhiệt, tức là nó giải phóng nhiệt do tạo thành các hợp chất có năng lượng thấp hơn.

Điều này được giải thích là do sự ổn định của các liên kết CH được hình thành, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để phá vỡ sau đó so với liên kết HH của hydro phân tử yêu cầu.

Mặt khác, quá trình hydro hóa luôn bao gồm việc phá vỡ liên kết HH trước. Sự đứt gãy này có thể là đồng nhất, vì nó xảy ra trong nhiều trường hợp:

HH => H ∙ + ∙ H

Hoặc dị phân, có thể xảy ra, ví dụ, khi oxit kẽm, ZnO, được hydro hóa:

HH => H ⁺ + H ^-

Lưu ý rằng sự khác biệt giữa hai lần phá vỡ nằm ở cách các điện tử trong liên kết được phân phối. Nếu chúng phân bố đều (cộng hoá trị) thì mỗi H bảo toàn một electron; trong khi nếu sự phân bố là ion, một kết thúc không có electron, H ⁺ , và kết thúc kia nhận được chúng hoàn toàn, H ^- .

Cả hai sự phá vỡ đều có thể xảy ra trong quá trình hydro hóa xúc tác, mặc dù quá trình đồng thể hóa cho phép nhường chỗ cho sự phát triển của cơ chế hợp lý cho việc này.

Thực nghiệm

Hydro là một chất khí, do đó, nó phải sủi bọt và phải đảm bảo rằng chỉ nó chiếm ưu thế trên bề mặt chất lỏng.

Mặt khác, hợp chất được hiđro hóa phải được hòa tan trong môi trường, có thể là nước, rượu, ete, este hoặc amin lỏng; nếu không quá trình hydro hóa sẽ diễn ra rất chậm.

Một khi hợp chất cần hydro hóa được hòa tan, thì trong môi trường phản ứng cũng phải có chất xúc tác. Điều này sẽ chịu trách nhiệm thúc đẩy tốc độ của phản ứng.

Trong quá trình hydro hóa có xúc tác, người ta thường sử dụng các kim loại phân chia mịn như niken, paladi, platin hoặc rhodi, không hòa tan trong hầu hết các dung môi hữu cơ. Do đó sẽ có hai pha: một pha lỏng với hợp chất và hydro hòa tan, và một pha rắn, của chất xúc tác.

Những kim loại này cung cấp bề mặt của chúng để hydro và hợp chất phản ứng, theo cách mà việc phá vỡ các liên kết được đẩy nhanh.

Tương tự như vậy, chúng làm giảm không gian khuếch tán của loài, làm tăng số lượng va chạm phân tử hiệu quả. Không chỉ vậy, ngay cả phản ứng cũng diễn ra bên trong các lỗ xốp của kim loại.

Các loại

Đồng nhất

Chúng ta nói về quá trình hydro hóa xúc tác đồng thể khi môi trường phản ứng bao gồm một giai đoạn. Việc sử dụng các kim loại ở trạng thái tinh khiết của chúng không phù hợp ở đây, vì chúng không hòa tan.

Thay vào đó, các hợp chất cơ kim của những kim loại này được sử dụng, có thể hòa tan và đã được chứng minh là có sản lượng cao.

Một trong những hợp chất cơ kim này là chất xúc tác của Wilkinson: tris (triphenylphosphin) rhodi clorua, ₃ RhCl. Các hợp chất này tạo phức với H ₂ , kích hoạt nó cho phản ứng cộng tiếp theo của nó với anken hoặc alkyne.

Quá trình hydro hóa đồng thể tạo ra nhiều lựa chọn thay thế hơn là không đồng nhất. Tại sao? Vì hóa học là các hợp chất cơ kim rất phong phú: chỉ cần thay đổi kim loại (Pt, Pd, Rh, Ni) và các phối tử (các phân tử hữu cơ hoặc vô cơ liên kết với tâm kim loại) là đủ để thu được chất xúc tác mới.

không đồng nhất

Quá trình hydro hóa xúc tác dị thể, như vừa đề cập, có hai pha: một chất lỏng và một pha rắn.

Ngoài chất xúc tác kim loại, có những chất khác bao gồm một hỗn hợp rắn; ví dụ, chất xúc tác của Lindlar, được tạo thành từ bạch kim, canxi cacbonat, chì axetat và quinolin.

Chất xúc tác Lindlar có một điểm đặc biệt là nó không thể thiếu cho quá trình hydro hóa anken; Tuy nhiên, nó rất hữu ích cho quá trình hydro hóa từng phần, tức là nó hoạt động hiệu quả trên các alkyne:

RC≡CR + H ₂ => RHC = CHR

Cơ chế

Hình ảnh cho thấy cơ chế của quá trình hydro hóa xúc tác sử dụng kim loại bột làm chất xúc tác.

Các quả cầu màu xám tương ứng với bề mặt kim loại của bạch kim. Phân tử H ₂ (màu tím) tiếp cận bề mặt kim loại giống như anken được thế tetra, R ₂ C = CR ₂ .

H ₂ tương tác với các electron chạy qua các nguyên tử của kim loại, và xảy ra sự đứt gãy và hình thành liên kết HM tạm thời, trong đó M là kim loại. Quá trình này được gọi là quá trình hấp thụ hóa học; nghĩa là, một sự hấp phụ bởi các lực hóa học.

Anken tương tác theo cách tương tự, nhưng liên kết được hình thành bởi liên kết đôi của nó (đường chấm). Liên kết HH đã phân ly và mỗi nguyên tử hydro vẫn liên kết với kim loại; nó làm tương tự với các tâm kim loại trong xúc tác cơ kim, tạo thành phức HMH trung gian.

Sau đó, xảy ra sự di chuyển của H về phía liên kết đôi, và điều này mở ra tạo thành liên kết với kim loại. H còn lại sau đó liên kết với cacbon khác của liên kết đôi ban đầu, và ankan được tạo ra, R ₂ HC-CHR ₂ , cuối cùng được giải phóng .

Cơ chế này sẽ được lặp lại nhiều lần nếu cần, cho đến khi tất cả H ₂ phản ứng hoàn toàn.

Người giới thiệu

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Hóa học hữu cơ. Các amin. ( ^Tái bản ^{lần thứ} 10. ). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Hóa học hữu cơ. (Tái bản lần thứ sáu). Đồi Mc Graw.
3. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
4. Lew J. (nd). Xúc tác Hiđro hoá Anken. Hóa học LibreTexts. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Hydrogenation xúc tác là gì? - Cơ chế & Phản ứng. Học. Phục hồi từ: study.com