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

Астрономы нашли новую пару нейтронных звезд Астрономы нашли новую пару нейтронных звезд

Новая пара нейтронных звезд содержит миллисекундный пульсар

N+1
«Не могу контролировать агрессию в адрес дочери» «Не могу контролировать агрессию в адрес дочери»

Как справиться с агрессией в сторону своего ребенка?

Psychologies
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
Не в плену у лаборанта: как неживые системы заменяют лабораторных животных Не в плену у лаборанта: как неживые системы заменяют лабораторных животных

Опыты над животными упоминаются еще в трудах древнегреческих врачей

Популярная механика
«Я записался в добровольческую армию» «Я записался в добровольческую армию»

Еврей-доброволец пишет письмо русским белогвардейцам в оккупированном Париже

Дилетант
Еда с колес Еда с колес

Как бывшие нефтяники построили производство фудтраков и домов на колесах

Forbes
Не диагностируй ближнего своего: когда использовать психологические термины опасно Не диагностируй ближнего своего: когда использовать психологические термины опасно

Как относиться к ситуации, когда обычные люди ставят диагнозы друг другу

Psychologies
5 вопросов об аллергии 5 вопросов об аллергии

Аллергия — болезнь, на которую не начхать

Maxim
Как похудеть, не считая калорий: 5 способов контролировать питание Как похудеть, не считая калорий: 5 способов контролировать питание

Важно следить за тем, сколько вы съели. А вы знаете, много вы едите или мало?

Популярная механика
Черная дырка от бублика Черная дырка от бублика

«Все везде и сразу»: налоговый вычет в условиях мультивселенной

Weekend
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
Как вернуть бывшего: психолог комментирует советы блогеров Как вернуть бывшего: психолог комментирует советы блогеров

Мы собрали наиболее часто встречающиеся в блогосфере советы, как вернуть бывшего

Psychologies
Самый смертоносный остров на Земле: бывший остров Возрождения на границе Казахстана и Узбекистана Самый смертоносный остров на Земле: бывший остров Возрождения на границе Казахстана и Узбекистана

СССР создал опаснейшее место, и оно до сих пор в полном расцвете злодейских сил

Maxim
Извините за успех: почему мы испытываем чувство вины за большие деньги и достижения Извините за успех: почему мы испытываем чувство вины за большие деньги и достижения

Почему чувство вины останавливает нас на пути к успеху?

Inc.
Что не дает нам обратиться к психологу: преграды внешние и внутренние Что не дает нам обратиться к психологу: преграды внешние и внутренние

Что нас останавливает от психотерапии и как с этим быть

Psychologies
Спал на голом матрасе и мог не делать домашку: как воспитывали Илона Маска Спал на голом матрасе и мог не делать домашку: как воспитывали Илона Маска

Как Илона и его брата с сестрой воспитывала экстравагантная мама Мэй Маск

Cosmopolitan
Бургер не пройдет! Бургер не пройдет!

Чем заменить фастфуд в рационе, чтобы было так же вкусно

Лиза
Как посевной инвестор Анна Фан создала лучшее в мире портфолио из стартапов Как посевной инвестор Анна Фан создала лучшее в мире портфолио из стартапов

Анна Фан умеет разглядеть потенциал стартапа в самом начале его пути

Forbes
Некрасивые истории красивого кино: что осталось за кадром советских фильмов Некрасивые истории красивого кино: что осталось за кадром советских фильмов

Что скрывает знаменитое советское кино?

VOICE
Письма из эмиграции: что русские интеллигенты писали о загранице, а иностранцы — об СССР Письма из эмиграции: что русские интеллигенты писали о загранице, а иностранцы — об СССР

Русские и советские граждане за последние 100 лет мигрировали не раз

Esquire
5 фактов об автомобилях, которые должен знать даже «чайник» 5 фактов об автомобилях, которые должен знать даже «чайник»

5 вещей, которые должен знать современный водитель

Популярная механика
Птица казуар: самый опасный хищник на Земле Птица казуар: самый опасный хищник на Земле

Замечательное, но жутко опасное существо — казуар

ТехИнсайдер
5 шагов, чтобы вернуть смысл жизни 5 шагов, чтобы вернуть смысл жизни

Как вернуться к осознанной жизни?

Psychologies
Велосипеды СССР, часть 2: от «Орленка» до «Старт-шоссе» Велосипеды СССР, часть 2: от «Орленка» до «Старт-шоссе»

Какие велосипеды для подростков, взрослых и спортсменов были в СССР

Maxim
Кем ты будешь, когда вырастешь: чем молодые предприниматели могут помочь подросткам Кем ты будешь, когда вырастешь: чем молодые предприниматели могут помочь подросткам

Молодые предприниматели делятся опытом с подростками и помогают им найти себя

Forbes
Диета после удаления аппендицита: основные принципы и лечебное меню Диета после удаления аппендицита: основные принципы и лечебное меню

Сколько соблюдать диету после удаления аппендицита, и каким должен быть рацион

VOICE
На самом деле мы супергерои: 6 сверхспособностей человеческого тела На самом деле мы супергерои: 6 сверхспособностей человеческого тела

Наш организм — это продуманная до мелочей умная система

Вокруг света
«Плывем по Москве-реке»: как связаны Россия и песня Wind of Change Scorpions «Плывем по Москве-реке»: как связаны Россия и песня Wind of Change Scorpions

Когда немцы спели о светлом будущем России и почти угадали. Почти

Maxim
Ценности поколений: как понять детей, рожденных в XXI веке Ценности поколений: как понять детей, рожденных в XXI веке

Кажется, между детьми, рожденными в 2000-х, и родителями — бездонная пропасть

Psychologies
Марианская впадина: роуд-стори потерянных душ с собакой, курицей и урной с прахом Марианская впадина: роуд-стори потерянных душ с собакой, курицей и урной с прахом

Отрывок из книги «Марианская впадина» — о близости двух одиноких людей

Forbes
Открыть в приложении