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

Дисания, бессонница и морские выдры: 20 завораживающих фактов о сне Дисания, бессонница и морские выдры: 20 завораживающих фактов о сне

Как связана Луна со сном и почему трудно проснуться в понедельник?

Популярная механика
О чем врут мужчины: 12 распространенных уловок О чем врут мужчины: 12 распространенных уловок

Разбираем лживые заверения, которыми мужчины-манипуляторы нас «заманивают»

Psychologies
Топ-5 автоподстав. Видеопримеры и разбор от экспертов Топ-5 автоподстав. Видеопримеры и разбор от экспертов

Разбираемся, какими способами пользуются мошенники для обмана водителей

РБК
Как похудеть, не считая калорий: 5 способов контролировать питание Как похудеть, не считая калорий: 5 способов контролировать питание

Важно следить за тем, сколько вы съели. А вы знаете, много вы едите или мало?

Популярная механика
Как создать «умное» производство с роботами: пошаговое руководство для бизнеса Как создать «умное» производство с роботами: пошаговое руководство для бизнеса

Роботы могут работать на любом заводе, выполняя монотонные или опасные задачи.

Популярная механика
Мотоцикл с русскими корнями: 13 интересных фактов о легендарном Harley-Davidson Мотоцикл с русскими корнями: 13 интересных фактов о легендарном Harley-Davidson

Harley-Davidson вряд ли стал бы легендой, если бы не издатели русского журнала

Вокруг света
Проклятая русская Джоконда: почему картина «Неизвестная» приносит несчастья Проклятая русская Джоконда: почему картина «Неизвестная» приносит несчастья

Даже те, кто не знает названия картины, вздрагивают, увидев ее

Cosmopolitan
Подвески из вертикального детского захоронения эпохи неолита изготовили из ископаемых раковин Подвески из вертикального детского захоронения эпохи неолита изготовили из ископаемых раковин

Археологи исследовали погребальный инвентарь, обнаруженный на Алтае в 1982 году

N+1
Вот как навсегда избавиться от сорняков, не навредив растениям: советы, которые мало кто знает Вот как навсегда избавиться от сорняков, не навредив растениям: советы, которые мало кто знает

Справиться с сорняками нелегко, но эти советы сильно облегчат вашу работу

Популярная механика
Тайна исчезнувшей советской деревни: как из Растесса пропали все жители Тайна исчезнувшей советской деревни: как из Растесса пропали все жители

Долгие годы никто не понимал, что же случилось в селе Растесс

Cosmopolitan
Как зомби-вирус захватывает тела гусениц и заставляет их совершать странные вещи Как зомби-вирус захватывает тела гусениц и заставляет их совершать странные вещи

Это прозвучит как сюжет фильма ужасов, но в мире насекомых такое случается часто

Популярная механика
Психологически здоровая семья: 10 принципов, на которых она строится Психологически здоровая семья: 10 принципов, на которых она строится

Как построить здоровые отношения в семье?

Psychologies
Спят на коровах и не расстаются с автоматами: как живет племя мундари в Южном Судане Спят на коровах и не расстаются с автоматами: как живет племя мундари в Южном Судане

Попасть к этому племени очень сложно, зато можно посмотреть наши фото!

Вокруг света
Как устроен российский самоходный лазерный комплекс 1К17 «Сжатие» Как устроен российский самоходный лазерный комплекс 1К17 «Сжатие»

Зачем «лазерному танку» шестнадцать «глаз»

ТехИнсайдер
8 фильмов о том, есть ли жизнь после измены 8 фильмов о том, есть ли жизнь после измены

Подборка фильмов о том, как переживают измены в разных уголках планеты

Psychologies
Что купить про запас Что купить про запас

16 продуктов, которые долго хранятся

Лиза
«Любит производить впечатление»: секреты гламурного макияжа Кейт Миддлтон «Любит производить впечатление»: секреты гламурного макияжа Кейт Миддлтон

Как Кейт Миддлтон подчеркивает естественную красоту без лишних усилий?

Cosmopolitan
Когда терапевт ранит. Интервью с клиническим психологом Екатериной Оксанен о травмирующей психотерапии Когда терапевт ранит. Интервью с клиническим психологом Екатериной Оксанен о травмирующей психотерапии

Клинический психолог — что такое абьюзивная психотерапия?

СНОБ
Лучшие блюда корейской кухни: 5 рецептов необычных супов Лучшие блюда корейской кухни: 5 рецептов необычных супов

Важно иметь возможность приготовить еду за максимально короткое время

Вокруг света
«Крутой маршрут»: как Евгения Гинзбург написала одну из главных книг самиздата «Крутой маршрут»: как Евгения Гинзбург написала одну из главных книг самиздата

Евгения Гинзбург прошла через ГУЛАГ и написала книгу о женском опыте заключения

Forbes
За что лишают прав весной: разбор опасных ситуаций За что лишают прав весной: разбор опасных ситуаций

Нюансы, о которых необходимо помнить водителям с наступлением теплой погоды

РБК
Как на Руси встречали девушек, которые сбежали из гарема обратно на родину Как на Руси встречали девушек, которые сбежали из гарема обратно на родину

Почему не всех вернувшихся из турецких гаремов русских девушек прощали?

Cosmopolitan
Упражнения для спины, которые помогут снять усталость после целого дня в офисе Упражнения для спины, которые помогут снять усталость после целого дня в офисе

Всё, что вам понадобится — стул с прямой спинкой, бутылка с водой и 15 минут

Популярная механика
Почему «Дядя Ваня» поступил плохо и как работает регистрация товарного знака Почему «Дядя Ваня» поступил плохо и как работает регистрация товарного знака

Бизнесу в России не удастся сделать обозначения, похожие на иностранные бренды

Inc.
Пранкеры появились не в 21 веке. Вот 7 исторических пранков, переживших века Пранкеры появились не в 21 веке. Вот 7 исторических пранков, переживших века

Социальные эксперименты, пранки и шутки появились задолго до интернета

Популярная механика
«Итальянские маршруты Андрея Тарковского». Отрывок из книги «Итальянские маршруты Андрея Тарковского». Отрывок из книги

Отрывок из путеводителя по творчеству Андрея Тарковского

СНОБ
Долгое эхо рокового рейса: трагическая история парохода «Челюскин» Долгое эхо рокового рейса: трагическая история парохода «Челюскин»

Эпопея парохода «Челюскин»

Вокруг света
15 минут, чтобы взбодриться: экспресс-тренировка на все тело 15 минут, чтобы взбодриться: экспресс-тренировка на все тело

Тренировка, которая обеспечит нагрузку на все мышечные группы за 15 минут

Cosmopolitan
11 неочевидных, но действующих способов похудеть 11 неочевидных, но действующих способов похудеть

Чтобы похудеть, вовсе не обязательно следовать строгим диетам

Лиза
5 вопросов об аллергии 5 вопросов об аллергии

Аллергия — болезнь, на которую не начхать

Maxim
Открыть в приложении