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

Почему мы так плохо помним наше детство? Почему мы так плохо помним наше детство?

Почему у большинства людей нет никаких воспоминаний о первых 3-4 годах жизни

Популярная механика
Сама стояла за кассой: почему все боятся новую главу Zara Сама стояла за кассой: почему все боятся новую главу Zara

Ее называют секретным оружием Zara и одной из провидиц модной индустрии

Cosmopolitan
Полезные привычки для здоровья мозга: 5 советов, к которым стоит прислушаться Полезные привычки для здоровья мозга: 5 советов, к которым стоит прислушаться

Отрывок из книги Джона Рэндольфа «Таблетка для мозга»

Популярная механика
7 ошибок в макияже, которые зрительно уменьшают твои глаза: не делай так! 7 ошибок в макияже, которые зрительно уменьшают твои глаза: не делай так!

Какие приемы в макияже визуально уменьшают глаза?

VOICE
Будьте скромнее, просите о помощи и не спешите: как прекратить самосаботаж и выжить Будьте скромнее, просите о помощи и не спешите: как прекратить самосаботаж и выжить

Как обрести психологическую устойчивость и перестать заниматься самосаботажем

Forbes
«The Телки»: ностальгия по двадцатилетию больших возможностей «The Телки»: ностальгия по двадцатилетию больших возможностей

«The Телки» — светское общество начала нулевых в сегодняшних реалиях

Эксперт
Чего на Руси больше всего боялись девушки, только что вышедшие замуж Чего на Руси больше всего боялись девушки, только что вышедшие замуж

Девушка, покинувшая после свадьбы дом, понимала: в новой семье ее ждет опасность

Cosmopolitan
«Ты не пройдёшь!» кто ловит космических странников на пути к земле «Ты не пройдёшь!» кто ловит космических странников на пути к земле

Как Юпитер и Сатурн защищают Солнечную систему от непрошенных гостей

Наука и жизнь
Андрею Тарковскому — 90 лет. Как главный классик отечественного кино объяснял свои фильмы? Андрею Тарковскому — 90 лет. Как главный классик отечественного кино объяснял свои фильмы?

Андрея Тарковского легко отыскать в современном кинематографе

Esquire
Весеннее расхламление Весеннее расхламление

Как начать весеннее расхламление и от чего избавиться в первую очередь

Лиза
«Русская кухня: от мифа к науке»: как и почему менялись кулинарные традиции и вкусы людей «Русская кухня: от мифа к науке»: как и почему менялись кулинарные традиции и вкусы людей

Отрывок из книги «Русская кухня: от мифа к науке» — о рыбе в СССР

N+1
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
Принцесса Диана без короны и «случайный кадр»: что нужно знать о легендарном фотографе Патрике Демаршелье Принцесса Диана без короны и «случайный кадр»: что нужно знать о легендарном фотографе Патрике Демаршелье

Патрик Демаршелье снимал супермоделей и принцессу Диану, сотрудничал с Pirelli

Esquire
4 способа управления гневом 4 способа управления гневом

Нужен ли на самом деле человеку гнев? При чем тут эмоциональный интеллект?

СНОБ
Где взять энергию Где взять энергию

Простые и эффективные способы, которые помогут подзарядить внутренние батарейки

Лиза
Металинза сгенерировала и сфокусировала вакуумный ультрафиолет Металинза сгенерировала и сфокусировала вакуумный ультрафиолет

Металинза, которая одновременно генерирует и фокусирует когерентное излучение

N+1
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
Зачем мы развешиваем дома фотографии близких? Зачем мы развешиваем дома фотографии близких?

Фотографии на кухне, в спальне и кабинете: прошлое, которое всегда с нами

Psychologies
БАЗАР сказал БАЗАР сказал

Группа «БАЗАР» — это «очень плохой стартап», но чертовски хорошая музыка

ЖАРА Magazine
Ученые продолжают находить в лесах Индии загадочные кувшины, погребенные под землей - их природа остается тайной Ученые продолжают находить в лесах Индии загадочные кувшины, погребенные под землей - их природа остается тайной

По всему Ассаму археологи продолжают находить все новые следы древней загадки

Популярная механика
Робингудская «почемучка» Робингудская «почемучка»

Отвечаем на наиболее распространённые вопросы о Робин Гуде и Средних веках

Дилетант
«По вечерам мне кажется, что я способна на все, но утром это чувство проходит» «По вечерам мне кажется, что я способна на все, но утром это чувство проходит»

Как разбить привычный круг нереализованных планов?

Psychologies
5 лучших стилей тренировки для похудения: эксперты рассказали, как выбрать подходящий способ сжечь лишний вес 5 лучших стилей тренировки для похудения: эксперты рассказали, как выбрать подходящий способ сжечь лишний вес

Подборка тренировочных стилей для избавления от целлюлита и толcтых животов

Популярная механика
Папа, плати! Папа, плати!

С кого будут взимать алименты в 2022 году

Лиза
Восстановленные смартфоны: что это такое и опасно ли их покупать? Восстановленные смартфоны: что это такое и опасно ли их покупать?

Чем восстановленный смартфон отличается от подержанного?

CHIP
«Десять уравнений, которые правят миром» «Десять уравнений, которые правят миром»

Отрывок из книги Дэвида Самптера «Десять уравнений, которые правят миром»

N+1
Лобная доля мозга не смогла научиться языку без височной Лобная доля мозга не смогла научиться языку без височной

Наличие височной доли — обязательное условие для обработки языка лобной долей

N+1
Худшие способы утешить человека в беде: 4 фразы Худшие способы утешить человека в беде: 4 фразы

Что нельзя говорить человеку, которому плохо?

Psychologies
20 важных открытий XXI века 20 важных открытий XXI века

Мы умеем ремонтировать гены и управлять протезами силой мысли

Вокруг света
#инструктаж: как правильно выбрать и нанести бронзер #инструктаж: как правильно выбрать и нанести бронзер

Чтобы создать легкий эффект загара, визажисты рекомендуют использовать бронзеры

РБК
Открыть в приложении