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
Марк Богатырев. Перезагрузка Марк Богатырев. Перезагрузка

Мне повезло испытать в жизни такую настоящую, трогательную, большую любовь

Коллекция. Караван историй
Зачем прощать себя и как Зачем прощать себя и как

Ключевой фактор качества жизни — эмоции

СНОБ
«Не могу контролировать агрессию в адрес дочери» «Не могу контролировать агрессию в адрес дочери»

Как справиться с агрессией в сторону своего ребенка?

Psychologies
«Дедушка — последний король племени»: как лечит людей в Сибири принцесса Габона «Дедушка — последний король племени»: как лечит людей в Сибири принцесса Габона

Принцесса древнего племени Габона, которая сейчас живет и работает в Красноярске

Вокруг света
Плавали, знаем: как тренироваться в бассейне, чтобы похудеть Плавали, знаем: как тренироваться в бассейне, чтобы похудеть

Выясняем, можно ли похудеть, плавая в бассейне, и как это сделать эффективно

VOICE
Ипотечная дилемма: брать или не брать? Ипотечная дилемма: брать или не брать?

Вопрос «куда нести деньги из-под дивана» возникает все чаще

Maxim
Зарядка для похудения Зарядка для похудения

5 комплексов эффективных упражнений для похудения

Лиза
Какие физические упражнения нельзя делать после 50 лет: спортивные советы Какие физические упражнения нельзя делать после 50 лет: спортивные советы

Расскажем, как людям старшего возраста тренироваться эффективно и безопасно!

Популярная механика
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
12 мифов о здоровом питании, которые заставляют нас покупать ненужные и даже вредные продукты 12 мифов о здоровом питании, которые заставляют нас покупать ненужные и даже вредные продукты

Разоблачаем вредные мифы о здоровом питании

Maxim
Хватка моря: что делать, если вы попали в отбойное течение Хватка моря: что делать, если вы попали в отбойное течение

Что такое отбойные течения и что делать попавшим в них?

Популярная механика
Высокий «Пульс» Высокий «Пульс»

Эдуарду Нетылько удалось стать крупнейшим игроком фармацевтической дистрибуции

Forbes
Дома не сажать: 6 комнатных растений, которые требуют особого ухода Дома не сажать: 6 комнатных растений, которые требуют особого ухода

И среди цветоводов есть свой рейтинг нелюбимых растений

Популярная механика
Как сделать компост в домашних условиях: простые способы Как сделать компост в домашних условиях: простые способы

Как не тратить деньги на покупку компоста и с пользой утилизировать свои отходы?

Популярная механика
Майя классического периода закрепили украшения на зубах с помощью смолы и битума Майя классического периода закрепили украшения на зубах с помощью смолы и битума

Использованные индейцами смеси для зубов могли обладать терапевтическим эффектом

N+1
Как приготовить идеальную кашу: 5 правил, о которых все забывают Как приготовить идеальную кашу: 5 правил, о которых все забывают

Советы шеф-повара и диетолога по готовке каши

Вокруг света
Самые полезные продукты для мозга, которые улучшат память и мышление Самые полезные продукты для мозга, которые улучшат память и мышление

Важно не только постоянно тренировать мозг, но и правильно питаться

Популярная механика
10 главных запретов в СССР, которые кажутся нам дикими 10 главных запретов в СССР, которые кажутся нам дикими

В СССР хватало моментов, которые мы с вами ни за что бы не хотели повторить

Cosmopolitan
30 колоссальных образцов промышленной техники: как работают гиганты индустрии 30 колоссальных образцов промышленной техники: как работают гиганты индустрии

Туда, где работают эти монстры, людей стараются не пускать

ТехИнсайдер
Призывная комиссия Призывная комиссия

Служба в армии приводит к экономическим издержкам, которых можно было избежать

Forbes
Вор или жертва: как обвиненный в плагиате Асгар Фархади стал героем своего же фильма Вор или жертва: как обвиненный в плагиате Асгар Фархади стал героем своего же фильма

Как Асгар Фархади попал в скандал с плагиатом?

Forbes
Один виток вокруг Земли: что происходило в странах, над которыми пролетал Юрий Гагарин Один виток вокруг Земли: что происходило в странах, над которыми пролетал Юрий Гагарин

Что происходило в странах, над которыми пролетал первый в мире космонавт

Вокруг света
Изменить отношение к бодипозитиву: Мария Федорова о моде plus size и бренде Divno Изменить отношение к бодипозитиву: Мария Федорова о моде plus size и бренде Divno

Основательница бренда Divno — о создании собственного бренда

Forbes
Почему «Подписные издания» в Санкт-Петербурге не просто книжный магазин Почему «Подписные издания» в Санкт-Петербурге не просто книжный магазин

Магазин на Литейном — место для Петербурга особенное

РБК
Почему жители бедных стран могут считать себя счастливыми и надо ли их разубеждать Почему жители бедных стран могут считать себя счастливыми и надо ли их разубеждать

Можем ли мы доверять мнениям людей о собственном счастье?

Forbes
Весеннее обострение: почему мы испытываем странные чувства? Весеннее обострение: почему мы испытываем странные чувства?

Истинные причины нахлынувшей по весне тревоги. Почему так бывает?

Psychologies
Почему мужчины не умеют расставаться? Почему мужчины не умеют расставаться?

Что заставляет мужчин внезапно и без объяснений бросать своих избранниц?

Psychologies
Новые центры русского зарубежья: 12 книг о Ереване, Тбилиси, Стамбуле и Берлине Новые центры русского зарубежья: 12 книг о Ереване, Тбилиси, Стамбуле и Берлине

Мы собрали 12 книг, которые помогут познакомиться с местной культурой

Esquire
7 хитростей для «ленивого» похудения 7 хитростей для «ленивого» похудения

Для больших успехов иногда достаточно очень маленьких изменений

Популярная механика
Открыть в приложении