- Caractéristiques de l'hydrogénation catalytique
- Rupture de la liaison hydrogène
- Expérimental
- Les types
- Homogène
- Hétérogène
- Mécanisme
- Références
L' hydrogénation catalytique est la réaction par laquelle l'hydrogène moléculaire est ajouté à un composé à des vitesses plus élevées. Non seulement la H 2 molécule d' abord rompre sa liaison covalente, mais aussi, être si petites collisions efficaces entre elle et le composé auquel il sera ajouté sont moins susceptibles.
Le composé récepteur d'hydrogène peut être organique ou inorganique. Les exemples d'hydrogénation catalytique se trouvent le plus souvent dans les composés organiques; en particulier, ceux qui présentent une activité pharmacologique, ou qui ont des métaux incorporés dans leurs structures (composés organométalliques).
Source: Gabriel Bolívar
Que se passe-t-il lorsque H 2 est ajouté à une structure garnie de carbone? Son insaturation diminue, c'est-à-dire que le carbone atteint le degré maximum de liaisons simples qu'il peut former.
Par conséquent, H 2 est ajouté aux liaisons doubles (C = C) et triples (C≡C); bien qu'il puisse également être ajouté à des groupes carbonyle (C = O).
Ainsi, les alcènes et alcynes ajoutés réagissent par hydrogénation catalytique. En analysant superficiellement n'importe quelle structure, on peut prédire si oui ou non elle ajoutera H 2 simplement en détectant des doubles et des triples liaisons.
Caractéristiques de l'hydrogénation catalytique
L'image montre le mécanisme de cette réaction. Cependant, il est nécessaire d'aborder certains aspects théoriques avant de le décrire.
Les surfaces des sphères grisâtres représentent les atomes métalliques qui, comme on le verra, sont les catalyseurs d'hydrogénation par excellence.
Rupture de la liaison hydrogène
Pour commencer, l'hydrogénation est une réaction exothermique, c'est-à-dire qu'elle dégage de la chaleur à la suite de la formation de composés à plus faible énergie.
Cela s'explique par la stabilité des liaisons CH formées, qui nécessitent plus d'énergie pour leur rupture ultérieure que ne le requiert la liaison HH de l'hydrogène moléculaire.
D'autre part, l'hydrogénation implique toujours la rupture de la liaison HH en premier. Cette rupture peut être homolytique, comme cela arrive dans de nombreux cas:
HH => H ∙ + ∙ H
Ou hétérolytique, qui peut se produire, par exemple, lorsque l'oxyde de zinc, ZnO, est hydrogéné:
HH => H + + H -
Notez que la différence entre les deux ruptures réside dans la répartition des électrons de la liaison. S'ils sont répartis uniformément (de manière covalente), chaque H finit par conserver un électron; tandis que si la distribution est ionique, l'un se retrouve sans électrons, H +, et l'autre les gagne complètement, H -.
Les deux ruptures sont possibles dans l'hydrogénation catalytique, bien que l'homolytique permette de céder la place au développement d'un mécanisme logique pour cela.
Expérimental
L'hydrogène est un gaz, et par conséquent, il doit faire des bulles et il faut s'assurer que seul il prédomine à la surface du liquide.
Par contre, le composé à hydrogéner doit être solubilisé dans un milieu, qu'il s'agisse d'eau, d'alcool, d'éther, d'esters ou d'une amine liquide; sinon l'hydrogénation se déroulerait très lentement.
Une fois le composé à hydrogéner dissous, il doit également y avoir un catalyseur dans le milieu réactionnel. Ce sera responsable de l'accélération de la vitesse de la réaction.
Dans l'hydrogénation catalytique, des métaux finement divisés de nickel, palladium, platine ou rhodium sont souvent utilisés, qui sont insolubles dans presque tous les solvants organiques. Il y aura donc deux phases: une phase liquide avec le composé et l'hydrogène dissous, et une phase solide, celle du catalyseur.
Ces métaux fournissent leur surface pour la réaction de l'hydrogène et du composé, de telle sorte que la rupture des liaisons est accélérée.
De même, ils diminuent l'espace de diffusion de l'espèce, augmentant le nombre de collisions moléculaires effectives. Non seulement cela, mais même la réaction a lieu à l'intérieur des pores du métal.
Les types
Homogène
On parle d'hydrogénation catalytique homogène lorsque le milieu réactionnel est constitué d'une seule phase. L'utilisation des métaux à l'état pur ne convient pas ici, car ils sont insolubles.
Au lieu de cela, des composés organométalliques de ces métaux sont utilisés, qui sont solubles et se sont avérés avoir des rendements élevés.
L'un de ces composés organométalliques est le catalyseur de Wilkinson: chlorure de tris (triphénylphosphine) rhodium, 3 RhCl. Ces composés forment un complexe avec H 2, l'activant pour sa réaction d'addition ultérieure à un alcène ou à un alcyne.
L'hydrogénation homogène présente beaucoup plus d'alternatives que l'hydrogénation hétérogène. Parce que? Car la chimie est que les composés organométalliques sont abondants: il suffit de changer le métal (Pt, Pd, Rh, Ni) et les ligands (les molécules organiques ou inorganiques liées au centre métallique), pour obtenir un nouveau catalyseur.
Hétérogène
L'hydrogénation catalytique hétérogène, comme on vient de le mentionner, comporte deux phases: une liquide et une solide.
En plus des catalyseurs métalliques, il y en a d'autres qui consistent en un mélange solide; par exemple, le catalyseur de Lindlar, qui est composé de platine, de carbonate de calcium, d'acétate de plomb et de quinoléine.
Le catalyseur Lindlar a la particularité d'être déficient pour l'hydrogénation des alcènes; Cependant, il est très utile pour les hydrogénations partielles, c'est-à-dire qu'il fonctionne parfaitement sur les alcynes:
RC≡CR + H 2 => RHC = CHR
Mécanisme
L'image montre le mécanisme de l'hydrogénation catalytique en utilisant du métal en poudre comme catalyseur.
Les sphères grisâtres correspondent à la surface métallique, par exemple, du platine. La molécule H 2 (couleur violette) s'approche de la surface du métal tout comme l'alcène tétra-substitué, R 2 C = CR 2.
Le H 2 interagit avec les électrons qui traversent les atomes du métal, et une rupture et la formation d'une liaison temporaire HM se produit, où M est le métal. Ce processus est connu sous le nom de chimisorption; c'est-à-dire une adsorption par des forces chimiques.
L'alcène interagit de la même manière, mais la liaison est formée par sa double liaison (ligne pointillée). La liaison HH s'est déjà dissociée et chaque atome d'hydrogène reste lié au métal; il en fait de même avec les centres métalliques dans les catalyseurs organométalliques, formant un complexe HMH intermédiaire.
Il se produit alors une migration d'un H vers la double liaison, et celle-ci s'ouvre en formant une liaison avec le métal. Le H restant se lie alors à l'autre carbone de la double liaison d'origine, et l'alcane produit, R 2 HC-CHR 2, est finalement libéré.
Ce mécanisme sera répété autant de fois que nécessaire, jusqu'à ce que tout le H 2 ait pleinement réagi.
Références
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Chimie organique. Amines. (10 e édition.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Chimie organique. (Sixième édition). Mc Graw Hill.
- Shiver et Atkins. (2008). Chimie inorganique. (Quatrième édition). Mc Graw Hill.
- Lew J. (nd). Hydrogénation catalytique d'alcènes. Chimie LibreTexts. Récupéré de: chem.libretexts.org
- Jones D. (2018). Qu'est-ce que l'hydrogénation catalytique? - Mécanisme et réaction. Étude. Récupéré de: study.com