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
5 самых распространенных мифов о бодибилдинге и фитнесе 5 самых распространенных мифов о бодибилдинге и фитнесе

Хочешь нарастить мускулы — перестань в них верить!

Maxim
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
Зачем имитировать голод? Зачем имитировать голод?

Для долголетия нужно жить впроголодь – или голод можно просто «изобразить»?

Здоровье
«Изумление было полным»: что сказали немцы, когда увидели советские танки «Изумление было полным»: что сказали немцы, когда увидели советские танки

Какими видели и как оценивали советские танки наши противники

ТехИнсайдер
10 запрещенных советских фильмов 10 запрещенных советских фильмов

Шедевры советского кино, отправленные "на полку"

Esquire
«Никак не могу прийти в себя после похода: была активной, а стала домоседом» «Никак не могу прийти в себя после похода: была активной, а стала домоседом»

Как ПТСР может неожиданно проявляться в нашей жизни

Psychologies
–15 кг за 35 дней: как похудеть на самой популярной диете весны –15 кг за 35 дней: как похудеть на самой популярной диете весны

Весна — самое время расставаться с набранными за зиму килограммами

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
5 самых распространенных мифов о кормах для кошек 5 самых распространенных мифов о кормах для кошек

На главные вопросы о кормах для кошек отвечают ветеринары

Maxim
Знаменитые советские кабаки, в которых должен был побывать каждый Знаменитые советские кабаки, в которых должен был побывать каждый

Цветы, которые взошли в выжженном поле чайных и кафе-мороженых

Maxim
Человек, который не хочет: что делать с ленивым мужчиной Человек, который не хочет: что делать с ленивым мужчиной

Можно ли справиться с мужчиной, который ничего не хочет?

Cosmopolitan
6 основных ошибок при маскировке темных кругов под глазами: варианты исправления 6 основных ошибок при маскировке темных кругов под глазами: варианты исправления

Как убрать темные круги под глазами и избежать ошибок при маскировке

VOICE
Как похудеть, не привязываясь к конкретному меню на день? Как похудеть, не привязываясь к конкретному меню на день?

Как комфортно сбросить вес, не ограничивая себя?

Cosmopolitan
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
10 правил, которые помогут контролировать уровень сахара в крови 10 правил, которые помогут контролировать уровень сахара в крови

С этими правилами поддерживать здоровый уровень сахара в крови совсем не сложно

Популярная механика
12 лайфхаков для счастливой жизни с котом 12 лайфхаков для счастливой жизни с котом

Как с помощью минимальных усилий сделать так, чтобы кота все устраивало

Maxim
25 лучших фильмов о любви: подборка, которую стоит посмотреть 25 лучших фильмов о любви: подборка, которую стоит посмотреть

Представляем 25 отличных фильмов о любви. Спорим, вы смотрели далеко не все!

Популярная механика
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
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
Квартирный вопрос и нестабильность: что мешает россиянкам заводить детей? Квартирный вопрос и нестабильность: что мешает россиянкам заводить детей?

Почему российские женщины откладывают материнство?

Psychologies
Постапокалипсис сегодня Постапокалипсис сегодня

Как кино описывает мир после катастрофы

Weekend
Музыкант и актер Игорь Титов — о внутренних конфликтах Музыкант и актер Игорь Титов — о внутренних конфликтах

Артист Игорь Титов — о словах мастера и кризисе 30-летних

РБК
10 неожиданных лайфхаков с металлической мочалкой: незаменимые советы для дома и быта 10 неожиданных лайфхаков с металлической мочалкой: незаменимые советы для дома и быта

Металлическая мочалка или губка — обязательный предмет на каждой кухне

Популярная механика
10 фактов о самых маленьких странах мира: об их существовании мало кто знает 10 фактов о самых маленьких странах мира: об их существовании мало кто знает

Микрогосударства нашей планеты

ТехИнсайдер
Легче лёгкого Легче лёгкого

Воздушный интерьер с обилием глянцевых поверхностей и натуральных материалов

SALON-Interior
Альпийские кузнецы железного века полакомились плодами орешника и черемухи Альпийские кузнецы железного века полакомились плодами орешника и черемухи

Палеоботаник исследовала материалы, собранные на раскопках альпийской кузницы

N+1
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
Правила жизни в 20, 30, 40 и 50 лет Правила жизни в 20, 30, 40 и 50 лет

Предприниматель Джеймс Альтушер — об устройстве жизни

Psychologies
10 редких видов собак: породы для тех, кто хочет завести необычного питомца 10 редких видов собак: породы для тех, кто хочет завести необычного питомца

Решили завести собаку редкой породы?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении