IDROGENAZIONE CATALITICA: CARATTERISTICHE, TIPOLOGIE E MECCANISMO - CHIMICA - 2025

L' idrogenazione catalitica è la reazione mediante la quale l'idrogeno molecolare viene aggiunto a un composto a velocità più elevate. Non solo la molecola H ₂ deve prima rompere il suo legame covalente, ma anche, essendo così piccola, le collisioni efficienti tra essa e il composto a cui verrà aggiunta sono meno probabili.

Il composto recettore dell'idrogeno può essere organico o inorganico. Esempi di idrogenazione catalitica si trovano più spesso nei composti organici; in particolare quelli che presentano attività farmacologica, o che hanno metalli incorporati nelle loro strutture (composti organometallici).

Fonte: Gabriel Bolívar

Cosa succede quando H ₂ viene aggiunto a una struttura ricca di carbonio? La sua insaturazione diminuisce, cioè il carbonio raggiunge il massimo grado di legami semplici che può formare.

Pertanto, H ₂ viene aggiunto ai legami doppi (C = C) e tripli (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, si può prevedere se aggiungerà o meno H ₂ semplicemente rilevando doppi e tripli legami.

Caratteristiche dell'idrogenazione catalitica

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.

Il legame idrogeno si rompe

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 CH formati, che richiedono più energia per la loro successiva rottura di quanta ne richieda il legame HH dell'idrogeno molecolare.

D'altra parte, l'idrogenazione implica sempre la rottura prima del legame HH. Questa rottura può essere omolitica, come accade in molti casi:

HH => H ∙ + ∙ H

O eterolitico, che può verificarsi, ad esempio, quando l'ossido di zinco, ZnO, è idrogenato:

HH => H ⁺ + H ^-

Nota che la differenza tra le due interruzioni sta nel modo in cui gli elettroni nel legame sono distribuiti. Se sono distribuiti in modo uniforme (covalentemente), ogni H finisce per conservare un elettrone; mentre se la distribuzione è ionica, uno finisce senza elettroni, H ⁺ , e l'altro li guadagna completamente, H ^- .

Entrambe le rotture sono possibili nell'idrogenazione catalitica, sebbene quella omolitica consenta di dare il via allo sviluppo di un meccanismo logico per questa.

Sperimentale

L'idrogeno è un gas e 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.

Una volta sciolto 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 fase liquida con il composto e l'idrogeno disciolti, e una fase solida, quella del catalizzatore.

Questi metalli forniscono la loro superficie affinché l'idrogeno e il composto reagiscano, in modo tale che la rottura dei legami sia accelerata.

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.

tipi

Omogeneo

Si parla di idrogenazione catalitica omogenea quando il mezzo di reazione è costituito da una singola fase. L'uso dei metalli nel loro stato puro non va bene qui, 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) rodio cloruro, ₃ RhCl. Questi composti formano un complesso con H ₂ , attivandolo per la sua successiva reazione di addizione ad alchene o alchino.

L'idrogenazione omogenea presenta 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.

Eterogeneo

L'idrogenazione catalitica eterogenea, come appena accennato, ha due fasi: una liquida e una solida.

Oltre ai catalizzatori metallici, ce ne sono altri costituiti da una miscela solida; per esempio, il catalizzatore di Lindlar, che è composto 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 + H ₂ => RHC = CHR

Meccanismo

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 H ₂ (colore viola) si avvicina alla superficie metallica così come l'alchene tetra sostituito, R ₂ C = CR ₂ .

L'H ₂ interagisce con gli elettroni che attraversano gli atomi del metallo e si verifica una rottura e la formazione di un legame temporaneo HM, 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 HH si è già dissociato e ogni atomo di idrogeno rimane legato al metallo; fa lo stesso con i centri metallici nei catalizzatori organometallici, formando un complesso HMH intermedio.

Si verifica quindi una migrazione di una H verso il doppio legame, che 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 ₂ HC-CHR ₂ , viene infine rilasciato .

Questo meccanismo sarà ripetuto tante volte quanto necessario, fino a quando tutta l'H _{2 non} avrà reagito completamente.

Riferimenti

1. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimica organica. Le ammine. ( ^10a edizione.). Wiley Plus.
2. Carey F. (2008). Chimica organica. (Sesta edizione). Mc Graw Hill.
3. Shiver & Atkins. (2008). Chimica inorganica. (Quarta edizione). Mc Graw Hill.
4. Lew J. (nd). Idrogenazione catalitica degli alcheni. Chemistry LibreTexts. Recupero da: chem.libretexts.org
5. Jones D. (2018). Cos'è l'idrogenazione catalitica? - Meccanismo e reazione. Studia. Estratto da: study.com