Катализаторы — химические соединения, которые ускоряют реакции

N+1Наука

Потемки катализа

Почему химики до сих пор ищут катализаторы на ощупь

Михаил Бойм

В 2003 году американские ученые умудрились провести реакцию кросс-сочетания без обычных для нее катализаторов. Связь между атомами углерода в реакции органического галогенида с бороновой кислотой образовалась, хотя необходимых солей и комплексов палладия химики в реакции не использовали. Ученые были настолько удивлены, что закупили новую стеклянную посуду и организовали для одного из сотрудников лаборатории «карантин»: чтобы никто случайно не занес катализатор на халате, работал с реакцией только он, а в рабочее пространство нельзя было вносить соли переходных металлов, которые могли загрязнить исходные реагенты. Но реакция все равно шла. Только через два года после публикации статьи о «некаталитическом» кросс-сочетании те же химики выяснили, что катализатор в их реакции все же был. Один из реагентов был с примесью палладия — настолько небольшой, что изначально ее обнаружить ученым не удалось.

В 2003 году американские ученые умудрились провести реакцию кросс-сочетания без обычных для нее катализаторов. Связь между атомами углерода в реакции органического галогенида с бороновой кислотой образовалась, хотя необходимых солей и комплексов палладия химики в реакции не использовали. Ученые были настолько удивлены, что закупили новую стеклянную посуду и организовали для одного из сотрудников лаборатории «карантин»: чтобы никто случайно не занес катализатор на халате, работал с реакцией только он, а в рабочее пространство нельзя было вносить соли переходных металлов, которые могли загрязнить исходные реагенты. Но реакция все равно шла. Только через два года после публикации статьи о «некаталитическом» кросс-сочетании те же химики выяснили, что катализатор в их реакции все же был. Один из реагентов был с примесью палладия — настолько небольшой, что изначально ее обнаружить ученым не удалось. И хотя сенсацию отменили, оригинальную статью с публикации никто не снял. Для каталитической химии подобные случаи если не норма, то точно не редкость. Даже журналы высокого уровня иногда публикуют статьи с невоспроизводимыми реакциями. Достоверно известно, что катализатор в системе есть, но что это за вещество и откуда оно там взялось — непонятно (о том, как подобные проблемы портят жизнь психологам и онкобиологам, мы писали в материалах «Не повторяется такое иногда» и «Собака съела протокол»).

Ускоряем реакцию

Катализаторы — химические соединения, которые ускоряют реакции, но не расходуются в них. О том, что такие вещества существуют, химики узнали случайно. Одну из первых каталитических реакций провел сэр Гемфри Дэви в 1817 году. Он изучал воспламеняемость углеводородов, и в одном из экспериментов в качестве переносчика тепла решил использовать платиновую проволоку, устойчивую к высоким температурам.

Дэви заполнил реакционный сосуд с платиновой проволокой смесью воздуха и углеводородов и поджег ее. Как только смесь воспламенилась, ученый добавил в нее еще углеводородов — чтобы проверить, хватит ли накопившегося в реакционной смеси тепла для продолжения реакции. Горение, как он и предполагал, продолжилось.

Но через несколько секунд химик обнаружил, что платиновая проволока разогрелась и стала ярко светиться. Причем, несмотря на недостаток кислорода, горение продолжалось несколько минут даже без подвода тепла.

Если же он сначала заполнял сосуд смесью воздуха и углеводородов и потом вносил туда раскаленную докрасна проволоку, то пламя на ее поверхности не возникало, зато резко повышалась температура проволоки. Из этого Дэви вывел, что реакция идет на поверхности проволоки, а значит именно платина значительно ускоряет окисление. Так, совершенно случайно, был открыт один из первых катализаторов — и каталитические реакции вообще.

Части установки Дэви, в которой он проводил эксперименты по воспламенению. Фото: H. Davy et al. / Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1817

За прошедшие два века мы успели неплохо разобраться в том, как вещества, которые не нужны в химической реакции, могут, однако, ее ускорить. Катализатор вносит в обычную последовательность химического превращения новые промежуточные стадии. Например, при кросс-сочетании по Судзуки палладиевый катализатор сначала присоединяется по связи углерод-галоген в галогениде, затем реагирует с бороновой кислотой при содействии основания, а потом возвращается в исходное состояние, при этом от палладия отщепляется продукт кросс-сочетания. Там, где работает катализ, реагенты при встрече становятся чем-то другим не за один шаг, а в несколько стадий, успев побывать не в одном, а в нескольких переходных состояниях. У переходного состояния энергия достигает пика — этот барьер нужно перепрыгнуть, чтобы реакция прошла. Если у реагентов ее недостаточно, реагировать друг с другом они не будут.

Изменение энергии в ходе химической реакции X + Y → Z. Кривой с одним максимумом обозначена реакция без катализатора, с четырьмя — та же реакция, но с катализатором. Wikimedia Commons

Катализатор реагирует с исходными веществами и превращается в промежуточные соединения. Если он подобран правильно, энергетические барьеры между промежуточными соединениями оказываются ниже, чем в некаталитическом процессе, и реакция идет быстрее. Бывает, что сам по себе энергетический барьер очень высок, и в норме вещества вообще не реагируют друг с другом, но в присутствии катализатора реакция происходит за считанные минуты. При этом в зависимости от катализатора, из одних и тех же исходных веществ могут получаться разные продукты — просто потому, что каждый катализатор по-своему влияет на переходные состояния разных реакций. Например, из смеси двух алкенов с помощью катализатора Циглера — Натта (тетрахлорида титана в смеси с триэтилалюминием) можно получить полимер, а с помощью катализатора Граббса (карбенового комплекса рутения) — продукт реакции метатезиса.

Сам катализатор, после того, как выполнил свою работу, возвращается в исходное состояние. Поэтому даже минимальное количество палладия, попавшее в эксперимент американских химиков, раз за разом запускало реакцию кросс-сочетания. Впрочем, катализаторы часто сами вступают в необратимые побочные химические превращения — с продуктами, следами воды и воздуха, стенками посуды, даже сами с собой. Из-за этого они теряют активность, и на практике большинство катализаторов все-таки расходуются — их просто не выделяют из итоговой смеси после завершения реакции.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

6 самых страшных советских маньяков 6 самых страшных советских маньяков

Не Чикатило единым славилась советская криминалистика

Maxim
Прием метформина перед зачатием связали с аномалиями гениталий у потомства Прием метформина перед зачатием связали с аномалиями гениталий у потомства

Как метформин связан с аномалиями развития?

N+1
Палеоантропологи обнаружили в Колыбели человечества пяточную кость гоминина Палеоантропологи обнаружили в Колыбели человечества пяточную кость гоминина

Палеоантропологи исследовали пяточную кость, обнаруженную во время раскопок

N+1
Яйцо Дориана Грея Яйцо Дориана Грея

«Скрежет»: орнитологический кошмар, помноженный на «Портрет Дориана Грея»

Weekend
Извилистая биография: почему древние искали источник разума в сердце Извилистая биография: почему древние искали источник разума в сердце

Как менялись наши представления о мозге

Вокруг света
8 растений, которые можно подкармливать золой 8 растений, которые можно подкармливать золой

Почти всё, что нужно знать про одно из лучших и доступных удобрений

Популярная механика
Дофаминовое голодание: панацея от повседневных зависимостей или упорная работа над собой Дофаминовое голодание: панацея от повседневных зависимостей или упорная работа над собой

Сейчас люди нередко обращаются к дофаминовому голоданию

Популярная механика
Ученые продолжают находить в лесах Индии загадочные кувшины, погребенные под землей - их природа остается тайной Ученые продолжают находить в лесах Индии загадочные кувшины, погребенные под землей - их природа остается тайной

По всему Ассаму археологи продолжают находить все новые следы древней загадки

Популярная механика
Магний в рационе: 10 продуктов, которые стоит есть женщинам после 50 лет Магний в рационе: 10 продуктов, которые стоит есть женщинам после 50 лет

В каких продуктах магния больше всего

Популярная механика
Кто такая Amouranth и почему ее хотят половина зрителей Twitch Кто такая Amouranth и почему ее хотят половина зрителей Twitch

Рассказываем о сексуальной красотке и ее многомиллионных заработках.

Maxim
Что делать, если ваш ВИЧ-анализ оказался положительным? Что делать, если ваш ВИЧ-анализ оказался положительным?

Наши герои рассказывают, как приняли диагноз «ВИЧ-инфекция» и живут с ним

Psychologies
Лучшие драматические роли Джима Керри Лучшие драматические роли Джима Керри

Вспоминаем непривычно серьезные роли Джима Керри

Maxim
Каково это — быть женой миллионера: история от первого лица Каково это — быть женой миллионера: история от первого лица

Заблуждения о праздной и легкой жизни «жен с Рублевки» существуют до сих пор

Cosmopolitan
Задача разработчиков: для чего нужно прототипирование интерфейсов Задача разработчиков: для чего нужно прототипирование интерфейсов

Что такое прототипирование интерфейсов и с какой целью используется?

Популярная механика
Кем ты будешь, когда вырастешь: чем молодые предприниматели могут помочь подросткам Кем ты будешь, когда вырастешь: чем молодые предприниматели могут помочь подросткам

Молодые предприниматели делятся опытом с подростками и помогают им найти себя

Forbes
Где золото роют в горах Где золото роют в горах

Как работает крупнейший гринфилд-проект Владимира Потанина в Забайкалье

Forbes
Не по возрасту: 7 привычек, которые тебя старят Не по возрасту: 7 привычек, которые тебя старят

Заметила, что выглядишь старше своих ровесниц? Возможно, дело в твоих привычках

VOICE
Как перестать думать о человеке: 5 советов психолога Как перестать думать о человеке: 5 советов психолога

Как справиться с зацикленностью на бывшем партнере

РБК
«Позовите капитана Ященко»: топ-10 самых смешных розыгрышей на 1 апреля «Позовите капитана Ященко»: топ-10 самых смешных розыгрышей на 1 апреля

День дурака запомнился нашим читательницам больше всего

Cosmopolitan
«Как мы стали людьми. Поиски истоков человечества»: Откуда мы родом и какие факторы определили нашу эволюцию «Как мы стали людьми. Поиски истоков человечества»: Откуда мы родом и какие факторы определили нашу эволюцию

Прямохождение и особенности человеческого тела

N+1
Здоровое питание и секреты похудения: советы от врачей Здоровое питание и секреты похудения: советы от врачей

В похудении самое главное — никуда не спешить и твердо стоять на своем!

Популярная механика
Арт-пауза: 7 работ молодых художников Арт-пауза: 7 работ молодых художников

Все эти работы — об исцеляющей силе красоты

РБК
Поворот к любви и дружбе: как «новая этика» и кризис влияют на нас Поворот к любви и дружбе: как «новая этика» и кризис влияют на нас

Почему сегодня люди ищут настоящую дружбу и искреннюю любовь?

Psychologies
«Выхожу на работу, через пару месяцев начинаю болеть и увольняюсь» «Выхожу на работу, через пару месяцев начинаю болеть и увольняюсь»

Как замкнутый круг из самообмана может навредить карьере?

Psychologies
«Муж играет в игры, свекровь меня ненавидит — может, развестись?» «Муж играет в игры, свекровь меня ненавидит — может, развестись?»

Что делать, если хочется срочно развестись? Вопрос читательницы

Psychologies
Никто не хотел защищать Никто не хотел защищать

Дело о похищении и уничтожении Казанской иконы Божией Матери

Дилетант
Как передвинуть маяк с места на место? Как передвинуть маяк с места на место?

Чтобы спасти маяк, группа инженеров и рабочих бросила вызов силам природы

Популярная механика
Неудовлетворенные потребности: как они управляют нашим поведением Неудовлетворенные потребности: как они управляют нашим поведением

Иногда необходимо исследовать, понять и разрешить аспекты своего прошлого

Psychologies
Еще три вкусных продукта, которые помогут сжечь лишний жир Еще три вкусных продукта, которые помогут сжечь лишний жир

Здоровая и вкусная пища, которая способствует избавлению от лишнего веса

Популярная механика
Почему люди не едят один бамбук: научный взгляд на природу наших вкусов Почему люди не едят один бамбук: научный взгляд на природу наших вкусов

Люди распространились по всему земному шару, потому что мы полностью всеядны

Вокруг света
Открыть в приложении