- Características da hidrogenação catalítica
- Quebra de ligação de hidrogênio
- Experimental
- Tipos
- Homogêneo
- Heterogêneo
- Mecanismo
- Referências
A hidrogenação catalítica é a reação pela qual o hidrogênio molecular é adicionado a um composto em velocidades mais altas. Não apenas a molécula de H 2 deve primeiro quebrar sua ligação covalente, mas também, sendo tão pequena, colisões eficientes entre ela e o composto ao qual será adicionada são menos prováveis.
O composto receptor de hidrogênio pode ser orgânico ou inorgânico. Os exemplos de hidrogenação catalítica são mais frequentemente encontrados em compostos orgânicos; em particular, aqueles que apresentam atividade farmacológica, ou que possuem metais incorporados em suas estruturas (compostos organometálicos).
Fonte: Gabriel Bolívar
O que acontece quando o H 2 é adicionado a uma estrutura embalada em carbono? Sua insaturação diminui, ou seja, o carbono atinge o grau máximo de ligações simples que pode formar.
Portanto, H 2 é adicionado a ligações triplas (C = C) dupla (C = C) e; embora também possa ser adicionado a grupos carbonil (C = O).
Assim, os alcenos e alcinos adicionados reagem por hidrogenação catalítica. Analisando superficialmente qualquer estrutura, pode-se prever se ela adicionará ou não H 2 apenas detectando ligações duplas e triplas.
Características da hidrogenação catalítica
A imagem mostra o mecanismo dessa reação. No entanto, é necessário abordar alguns aspectos teóricos antes de descrevê-lo.
As superfícies das esferas acinzentadas representam os átomos metálicos que, como se verá, são os catalisadores da hidrogenação por excelência.
Quebra de ligação de hidrogênio
Para começar, a hidrogenação é uma reação exotérmica, ou seja, libera calor a partir da formação de compostos com menor energia.
Isso é explicado pela estabilidade das ligações CH formadas, que requerem mais energia para sua quebra subsequente do que a ligação HH do hidrogênio molecular.
Por outro lado, a hidrogenação sempre envolve quebrar a ligação HH primeiro. Essa ruptura pode ser homolítica, como acontece em muitos casos:
HH => H ∙ + ∙ H
Ou heterolítico, que pode ocorrer, por exemplo, quando o óxido de zinco, ZnO, é hidrogenado:
HH => H + + H -
Observe que a diferença entre as duas quebras está em como os elétrons da ligação são distribuídos. Se forem distribuídos uniformemente (covalentemente), cada H acaba conservando um elétron; enquanto se a distribuição for iônica, um acaba sem elétrons, H +, e o outro os ganha completamente, H -.
Ambas as quebras são possíveis na hidrogenação catalítica, embora a homolítica permita dar lugar ao desenvolvimento de um mecanismo lógico para isso.
Experimental
O hidrogênio é um gás e, portanto, deve ser borbulhado e deve-se 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.
Assim que o composto a ser hidrogenado estiver dissolvido, também deve haver um catalisador no meio de reação. Isso será responsável por acelerar a velocidade da reação.
Na hidrogenação catalítica, metais finamente divididos de níquel, paládio, platina ou ródio são freqüentemente usados, os quais são insolúveis em quase todos os solventes orgânicos. Portanto, haverá duas fases: uma fase líquida com o composto e o hidrogênio dissolvidos, e uma fase sólida, a do catalisador.
Esses metais fornecem sua superfície para que o hidrogênio e o composto reajam, de forma que a quebra das ligações é acelerada.
Da mesma forma, diminuem o espaço de difusão da espécie, aumentando o número de colisões moleculares efetivas. Não só isso, mas até a reação ocorre dentro dos poros do metal.
Tipos
Homogêneo
Falamos de hidrogenação catalítica homogênea quando o meio de reação consiste em uma única fase. O uso de metais em seu estado puro não cabe aqui, pois são insolúveis.
Em vez disso, são usados compostos organometálicos desses metais, que são solúveis e têm demonstrado alto rendimento.
Um desses compostos organometálicos é o catalisador de Wilkinson: cloreto de tris (trifenilfosfina) ródio, 3 RhCl. Esses compostos formam um complexo com H 2, ativando-o para sua subsequente reação de adição a alqueno ou alquino.
A hidrogenação homogênea apresenta muito mais alternativas do que a heterogênea. Por quê? Porque a química é que os compostos organometálicos são abundantes: basta trocar 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, tem duas fases: uma líquida e outra sólida.
Além dos catalisadores metálicos, existem outros que consistem em uma mistura sólida; por exemplo, o catalisador de Lindlar, que é feito de platina, carbonato de cálcio, acetato de chumbo e quinolina.
O catalisador de Lindlar tem a peculiaridade de ser deficiente para a hidrogenação de alquenos; Porém, é muito útil para hidrogenações parciais, ou seja, funciona perfeitamente sobre alcinos:
RC≡CR + H 2 => RHC = CHR
Mecanismo
A imagem mostra o mecanismo de hidrogenação catalítica usando metal em pó como catalisador.
As esferas acinzentadas correspondem à superfície metálica de, digamos, platina. O H 2 molécula (cor púrpura) se aproxima a superfície de metal tal como o tetra substituído alceno, R 2 C = CR 2.
O H 2 interage com os elétrons que percorrem os átomos do metal e ocorre a ruptura e a formação de uma ligação temporária HM, onde M é o metal. Este processo é conhecido como quimissorção; isto é, uma adsorção por forças químicas.
O alceno interage de maneira semelhante, mas a ligação é formada por sua ligação dupla (linha pontilhada). A ligação HH já foi dissociada e cada átomo de hidrogênio permanece ligado ao metal; ele faz o mesmo com os centros de metal em catalisadores organometálicos, formando um complexo HMH intermediário.
Ocorre então a migração de um H em direção à ligação dupla, que se abre formando uma ligação com o metal. O H restante liga-se então ao outro carbono da ligação dupla original e o alcano produzido, R 2 HC-CHR 2, é finalmente libertado.
Este mecanismo será repetido quantas vezes forem necessárias, até que todo o H 2 tenha reagido completamente.
Referências
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Química orgânica. Aminas. (10 th Edition.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Quimica Organica. (Sexta edição). Mc Graw Hill.
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição). Mc Graw Hill.
- Lew J. (nd). Hidrogenação catalítica de alcenos. Chemistry LibreTexts. Recuperado de: chem.libretexts.org
- Jones D. (2018). O que é hidrogenação catalítica? - Mecanismo e reação. Estude. Recuperado de: study.com