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

Тутанхамон придет за тобой: как появилась легенда о Тутанхамон придет за тобой: как появилась легенда о

Существует ли проклятие фараонов на самом деле?

Esquire
От тюремной камеры до надгробия: 8 фактов о кроссвордах, о которых вы не догадывались От тюремной камеры до надгробия: 8 фактов о кроссвордах, о которых вы не догадывались

История появления кроссвордов и другие факты

Вокруг света
Одинокие женщины: что они чувствуют? Одинокие женщины: что они чувствуют?

Одиночество можно использовать во благо себе

Psychologies
Путеводитель по Асгарду: чем заняться в мире скандинавских богов Путеводитель по Асгарду: чем заняться в мире скандинавских богов

Скандинавские мифы: кроме Мидгарда, мира людей, существует еще восемь царств

Популярная механика
Сила любви: 5 книг, которые помогут выстроить гармоничные отношения с партнером Сила любви: 5 книг, которые помогут выстроить гармоничные отношения с партнером

Книги, которые помогут выстроить сбалансированные отношения с партнером

Популярная механика
Британские колонисты из Южной Австралии пострадали от дефицита витамина C Британские колонисты из Южной Австралии пострадали от дефицита витамина C

Палеопатологи исследовали останки индивидов, найденных в окрестностях Аделаиды

N+1
Какой пылесос лучше: с мешком, с контейнером или с аквафильтром? Какой пылесос лучше: с мешком, с контейнером или с аквафильтром?

Какому типу пылесборника отдать предпочтение

CHIP
Зачем нам суперфуды Зачем нам суперфуды

Топ-6 самых полезных и при этом доступных продуктов

Лиза
Почему мы часто дарим друг другу странные подарки Почему мы часто дарим друг другу странные подарки

Почему выбор подарков — дело не из простых

РБК
Идеализм: в чем польза настоящих убеждений? Идеализм: в чем польза настоящих убеждений?

Реплика «Ты идеалист!» все ближе к тому, чтобы стать оскорблением

Psychologies
Отрывок из книги Стивена Кинга «Билли Саммерс» Отрывок из книги Стивена Кинга «Билли Саммерс»

Отрывок из нуарного детектива Стивена Кинга «Билли Саммерс»

СНОБ
5 полезных привычек для женского здоровья: взять за правило 5 полезных привычек для женского здоровья: взять за правило

Некоторые полезные привычки могут положительно повлиять на здоровье женщины

Популярная механика
Миллион долларов в месяц: на что тратит деньги Павел Дуров Миллион долларов в месяц: на что тратит деньги Павел Дуров

Павел Дуров говорит, что деньги для него не главное. Разбираемся, так ли это

РБК
За что тебя накажет карма? Рассказывает индийский йогин и философ За что тебя накажет карма? Рассказывает индийский йогин и философ

Карма никого не наказывает

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

Истинные причины нахлынувшей по весне тревоги. Почему так бывает?

Psychologies
Время твоего рождения расскажет всё о твоих отношениях: объясняют астрологи Время твоего рождения расскажет всё о твоих отношениях: объясняют астрологи

Именно от времени рождения зависит, какая планета станет твоим покровителем

Cosmopolitan
Чудовищный эксперимент с медсестрами: почему они были готовы убивать пациентов? Чудовищный эксперимент с медсестрами: почему они были готовы убивать пациентов?

XX век — век чудовищных психологических экспериментов над людьми

Cosmopolitan
Проблемы с щитовидкой или депрессия: в чем причина перепадов настроения Проблемы с щитовидкой или депрессия: в чем причина перепадов настроения

Перепады настроения или частые вспышки гнева могут быть симптомами болезней

VOICE
Существовавшая не менее 66 миллионов лет структура экосистем исчезнет из-за человека Существовавшая не менее 66 миллионов лет структура экосистем исчезнет из-за человека

U-образная зависимость размера тела от типа питания

N+1
«Не позволяю себе счастья, чтобы после не случилось беды» «Не позволяю себе счастья, чтобы после не случилось беды»

Можем ли мы сами мешать своему счастью?

Psychologies
Как подготовиться к беговому марафону, если ты новичок Как подготовиться к беговому марафону, если ты новичок

Какие шаги нужно предпринять начинающему бегуну

Популярная механика
Как подводные лодки связываются друг с другом под водой: нейтринные коммуникации Как подводные лодки связываются друг с другом под водой: нейтринные коммуникации

Как субмарины держат связь под водой

ТехИнсайдер
Как пережить разрыв? Советы Михаила Лабковского Как пережить разрыв? Советы Михаила Лабковского

Как правильно переживать расставание, какие мысли помогут справиться быстрее?

VOICE
Пиррова победа или победоносное поражение? Пиррова победа или победоносное поражение?

Истоки Советско-финляндской войны следует искать в предвоенной истории отношений

Дилетант
Генетики разобрались в эволюции динго и домашних собак Генетики разобрались в эволюции динго и домашних собак

Геномы динго и собак указывают на то, что они приспособились к разным видам пищи

N+1
Правила кибергигиены в 2022 году Правила кибергигиены в 2022 году

Что может угрожать людям, чьи данные оказались в базах мошенников

СНОБ
5 книг, которые помогут достичь успеха в выбранной нише 5 книг, которые помогут достичь успеха в выбранной нише

Книги, которые запросто справятся с ролью инструктора по достижению успеха

Популярная механика
9 важных признаков преддиабета: скрытые симптомы 9 важных признаков преддиабета: скрытые симптомы

На что обратить внимание, чтобы успеть обернуть преддиабет вспять

Популярная механика
Не спешите их выбрасывать: 10 лайфхаков о том, как можно разумно использовать старые носки Не спешите их выбрасывать: 10 лайфхаков о том, как можно разумно использовать старые носки

10 лайфхаков с одинокими носками!

Популярная механика
Обманули свыше 150 инвесторов, чтобы погасить ипотеку и посмотреть на птиц в Мексике: история мошенников из Аризоны Обманули свыше 150 инвесторов, чтобы погасить ипотеку и посмотреть на птиц в Мексике: история мошенников из Аризоны

Больше 15 лет Файнберги собирали деньги на запуск продукта-конкурента Microsoft

VC.RU
Открыть в приложении