Hidrogenação catalítica: características, tipos e mecanismo

A hidrogenação catalítica é a reacção pela qual o hidrogénio molecular é adicionado a um composto em velocidades mais altas. A molécula de H 2 Não só deve primeiro quebrar a ligação covalente, mas, de ser tão pequeno são eficientes colisões menos prováveis entre ele e o composto a ser adicionado quando.

O composto receptor de hidrogênio pode muito bem ser orgânico ou inorgânico. Compostos orgânicos são onde mais exemplos de hidrogenação catalítica são encontrados; especialmente aqueles que possuem atividade farmacológica ou que incorporaram metais em suas estruturas (compostos organometálicos).

Hidrogenação catalítica: características, tipos e mecanismo 1

Fonte: Gabriel Bolívar

O que acontece quando adicionado H 2 para uma estrutura de carbono completo? Diminui sua insaturação, ou seja, o carbono atinge o grau máximo de ligações simples que pode formar.

Portanto, o H 2 para a dupla (C = C) e ligações triplas (C = C) são adicionados; embora também possa ser adicionado aos grupos carbonila (C = O).

Assim, os alcenos e alcinos adicionam reagem por hidrogenação catalítica. Analisando qualquer estrutura de superfície pode ser prevista ou não este irá adicionar H 2 com apenas detectam ligações duplas e triplas.

Características da hidrogenação catalítica

O mecanismo dessa reação é mostrado na imagem. No entanto, é necessário abordar alguns aspectos teóricos antes de descrevê-lo.

As superfícies das esferas acinzentadas representam os átomos metálicos que, como será visto, são os catalisadores da hidrogenação por excelência.

Ruptura de ligações de hidrogênio

Para iniciantes, a hidrogenação é uma reação exotérmica, ou seja, libera calor como resultado da formação de compostos com menos energia.

Isso é explicado na estabilidade das ligações CH formadas, que requerem mais energia para sua subsequente ruptura do que a requerida pela ligação HH do hidrogênio molecular.

Por outro lado, a hidrogenação sempre envolve primeiro a quebra da ligação HH. Essa ruptura pode ser homolítica, como em muitos casos:

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HH => H ∙ + ∙ H

Ou heterolítico, que pode ocorrer, por exemplo, quando o óxido de zinco é hidrogenado, ZnO:

HH => H + + H

Observe que a diferença entre as duas rupturas está na maneira como os elétrons na ligação são distribuídos. Se distribuído igualmente (covalentemente), cada H acaba mantendo um elétron; enquanto que se a distribuição for iônica, uma termina sem elétrons, H + , e a outra os ganha completamente, H .

Ambas as rupturas são possíveis na hidrogenação catalítica, embora o homolítico permita o desenvolvimento de um mecanismo lógico para ela.

Experimental

O hidrogênio é um gás e, portanto, deve ser borbulhado e garantir que apenas ele predomine na superfície do líquido.

Por outro lado, o composto a ser hidrogenado deve ser solubilizado em um meio, seja água, álcool, éter, ésteres ou uma amina líquida; caso contrário, a hidrogenação ocorreria muito lentamente.

Uma vez dissolvido o composto a ser hidrogenado, também deve haver um catalisador no meio de reação. Isso será responsável por acelerar a velocidade da reação.

Na hidrogenação catalítica, geralmente são usados ​​metais finamente divididos de níquel, paládio, platina ou ródio, insolúveis em quase todos os solventes orgânicos. Portanto, haverá duas fases: um líquido com o composto e hidrogênio dissolvido e um sólido, o catalisador.

Esses metais contribuem com sua superfície para que o hidrogênio e o composto reajam, de maneira que as quebras de ligação sejam aceleradas.

Eles também reduzem o espaço de difusão das espécies, aumentando o número de colisões moleculares efetivas. Não apenas isso, mas mesmo a reação ocorre dentro dos poros do metal.

Tipos

Homogêneo

Fala-se de hidrogenação catalítica homogênea quando o meio de reação consiste em uma única fase. Aqui não há lugar para usar metais em seus estados puros, pois são insolúveis.

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Em vez disso, são utilizados compostos organometálicos desses metais, que são solúveis e demonstraram ter altos rendimentos.

Um desses compostos organometálicos é o catalisador de Wilkinson: cloreto de tris (trifenilfosfina) ródio, [(C 6 H 5 ) 3 P] 3 RhCl. Estes compostos formam um complexo com H 2 , activando para a subsequente reacção de adição de alceno ou alcino.

A hidrogenação homogênea apresenta muito mais alternativas do que heterogêneas. Porque Como a química é composta por compostos organometálicos, é abundante: basta alterar o metal (Pt, Pd, Rh, Ni) e os ligantes (as moléculas orgânicas ou inorgânicas ligadas ao centro do metal), para obter um novo catalisador.

Heterogêneo

A hidrogenação catalítica heterogênea, como acabamos de mencionar, possui duas fases: uma líquida e uma sólida.

Além dos catalisadores de metal, existem outros que consistem em uma mistura sólida; por exemplo, o catalisador Lindlar, que é composto de platina, carbonato de cálcio, acetato de chumbo e quinolina.

O catalisador Lindlar tem a particularidade de ser deficiente para a hidrogenação de alcenos; no entanto, é muito útil para hidrogenações parciais, ou seja, funciona excelentemente em alcinos:

RC≡CR + H 2 => RHC = CHR

Mecanismo

A imagem mostra o mecanismo de hidrogenação catalítica usando um metal pulverizado como catalisador.

As esferas cinza correspondem à superfície metálica, digamos, da platina. A molécula de H 2 (roxo) se aproxima a superfície de metal como o tetra alceno substituído, R 2 C = CR 2 .

O H 2 interage com electrões que se cruzam os átomos de metal, e uma ruptura e formação de uma ligação temporária HM, onde M é o metal ocorre. Este processo é conhecido como quimisorção ; isto é, uma adsorção por forças químicas.

O alceno interage de maneira semelhante, mas o elo o forma com sua ligação dupla (linha pontilhada). A ligação HH já se dissociou e cada átomo de hidrogênio permanece ligado ao metal; da mesma forma que ocorre com os centros metálicos nos catalisadores organometálicos, formando um complexo intermediário HMH.

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Depois, há uma migração de um H em direção à ligação dupla, e ela se abre formando uma ligação com o metal. Em seguida, o restante H se liga a outra ligação de carbono dupla original, e finalmente liberta o alcano produzido, R 2 HC-CHR 2 .

Este mecanismo é repetido como quantas vezes forem necessárias, até que todos H 2 tenha reagido completamente.

Referências

  1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Química Orgânica Aminas (10 ª edição). Wiley Plus
  2. Carey F. (2008). Quimica Organica. (Sexta edição). Mc Graw Hill
  3. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica (Quarta edição). Mc Graw Hill
  4. Lew J. (sf). Hidrogenação Catalítica de Alcenos. Química LibreTexts. Recuperado de: chem.libretexts.org
  5. Jones D. (2018). O que é hidrogenação catalítica? – Mecanismo e reação. Estudo Recuperado de: study.com

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