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
Одна вокруг света: оползень в горах и кофе в джунглях Одна вокруг света: оползень в горах и кофе в джунглях

Путешественницы вынуждены совершить объезд в сотни километров из-за оползня

Forbes
Простой способ сделать выбор, если вы на распутье Простой способ сделать выбор, если вы на распутье

Это очень трудно — решиться и сделать то, чего раньше никогда не делали

Psychologies
«Империя наций: Этнографическое знание и формирование Советского Союза» «Империя наций: Этнографическое знание и формирование Советского Союза»

Как ученые помогали вырабатывать принципы устройства СССР

N+1
12 главных причин, почему закладывает нос без насморка 12 главных причин, почему закладывает нос без насморка

Заложенность носа почти всегда указывает на наличие какой-то патологии

Лиза
Бургер не пройдет! Бургер не пройдет!

Чем заменить фастфуд в рационе, чтобы было так же вкусно

Лиза
Состязание с мужчинами: почему в СССР запретили женский альпинизм Состязание с мужчинами: почему в СССР запретили женский альпинизм

«Удобная штука для женской игры в мужчин» — женщины и альпинизм в СССР

Cosmopolitan
«Китч — это стиль мышления». Антрополог Светлана Бойм о мифологии повседневной жизни «Китч — это стиль мышления». Антрополог Светлана Бойм о мифологии повседневной жизни

Отрывок из книги «Общие места» — о понятиях и явлениях российской культуры

СНОБ
7 нелепых диет: почему стоит держаться от них подальше 7 нелепых диет: почему стоит держаться от них подальше

Рассмотрим топ-7 нелепых диет, которых не стоит придерживаться

Psychologies
Врачи поставили испанцу диагноз по переползающим пятнам на коже Врачи поставили испанцу диагноз по переползающим пятнам на коже

Стронгилоидоз — редкая болезнь, которую вызывает круглый червь

N+1
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
Нюансы обучения в зрелом возрасте, или Почему полезно заняться музыкой в 35 лет Нюансы обучения в зрелом возрасте, или Почему полезно заняться музыкой в 35 лет

Может ли музыка помочь обрести новый опыт?

Psychologies
Отец киборгов: как нейроученый вживлял электроды в мозг и вернул речь парализованному Отец киборгов: как нейроученый вживлял электроды в мозг и вернул речь парализованному

Как Филип Кеннеди пытался взломать нейронный код речи

Forbes
Рок-звезда науки: как кардиолог Эрик Тополь меняет мировую медицину Рок-звезда науки: как кардиолог Эрик Тополь меняет мировую медицину

Эрик Тополь убежден, что будущее медицины — за искусственным интеллектом

Forbes
Что рассказать о себе на собеседовании при приеме на работу Что рассказать о себе на собеседовании при приеме на работу

Как должен выглядеть достойный ответ на каверзный вопрос «расскажите о себе»

Maxim
Мэри Эннинг: история тринадцатилетней девочки, которая перевернула представления о Юрском периоде Мэри Эннинг: история тринадцатилетней девочки, которая перевернула представления о Юрском периоде

Мэри Эннинг — гениальная одиночка, совершившая множество открытий

Популярная механика
Почему мужчина теряет интерес к женщине и что делать, чтобы его вернуть Почему мужчина теряет интерес к женщине и что делать, чтобы его вернуть

Вы чувствуете, что мужчина отдаляется?

Psychologies
Как повысить FPS в Counter Strike: Global Offensive? Рассмотрим основные рекомендации Как повысить FPS в Counter Strike: Global Offensive? Рассмотрим основные рекомендации

Рассказываем о простых способах повышения FPS в КС:ГО

CHIP
Робингудская «почемучка» Робингудская «почемучка»

Отвечаем на наиболее распространённые вопросы о Робин Гуде и Средних веках

Дилетант
Ихтиологи выявили специфические диалекты у мексиканских тетр из разных пещер Ихтиологи выявили специфические диалекты у мексиканских тетр из разных пещер

У мексиканских тетр есть индивидуальные звуковые особенности

N+1
«Я старею, и это неожиданность» «Я старею, и это неожиданность»

Может быть, стоит изменить свое отношение к старости?

Psychologies
Вечный вклад: как эндаументы дореволюционной России меняли жизнь, медицину и науку Вечный вклад: как эндаументы дореволюционной России меняли жизнь, медицину и науку

Как работали эндаументы — вечные вклады — в дореволюционной России

Forbes
Йога для начинающих: 10 простых асан, советы тренера Йога для начинающих: 10 простых асан, советы тренера

Одно из важных преимуществ йоги — ее доступность каждому

РБК
9 фактов о космосе, в которые трудно поверить 9 фактов о космосе, в которые трудно поверить

Что необычного скрывает космос?

РБК
Как понять друг друга. 10 книг об отношениях Как понять друг друга. 10 книг об отношениях

Книги, которые помогут выстроить здоровые отношения

СНОБ
Ужасы советского быта: как это было на самом деле Ужасы советского быта: как это было на самом деле

Доставать и успевать: каким был советский быт?

VOICE
Как выглядела первая «Мисс мира» на планете Как выглядела первая «Мисс мира» на планете

И вот летом 1951 года состоялся первый конкурс «Мисс мира»

Maxim
Рецидивисты оказались ключом к моделированию коррупции в Испании и Бразилии Рецидивисты оказались ключом к моделированию коррупции в Испании и Бразилии

Ученые сравнили структуру коррупционных скандалов в Испании и Бразилии

N+1
Над злобой дня Над злобой дня

Книги о столкновении человека со злом, которые стоит перечитать

Weekend
Как перестать стесняться: 9 советов психолога Как перестать стесняться: 9 советов психолога

Разбираемся, как преодолеть стеснительность

РБК
Открыть в приложении