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
Пернатые, поющие и летающие: лучшие книги о птицах, которые научат вас порхать по жизни Пернатые, поющие и летающие: лучшие книги о птицах, которые научат вас порхать по жизни

Книги, которые помогут разобраться в птицах и особенностях их жизни

Популярная механика
Некоторых кельтов из Вероны заподозрили в альпийском происхождении Некоторых кельтов из Вероны заподозрили в альпийском происхождении

Биоархеологи исследовали останки 49 индивидов, живших в III–I веках до нашей эры

N+1
«Воображаемый враг: Иноверцы в средневековой иконографии» «Воображаемый враг: Иноверцы в средневековой иконографии»

Как европейские художники изображали еретиков, грешников и нехристиан

N+1
Дистанционное управление прожекторами на даче: просто, быстро и дешево Дистанционное управление прожекторами на даче: просто, быстро и дешево

Наладить дистанционное управление освещением на даче довольно просто

CHIP
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
Кирилл Соколов: «Анна Михалкова целую смену пролежала лицом в луже крови» Кирилл Соколов: «Анна Михалкова целую смену пролежала лицом в луже крови»

Вот что бывает, когда до ближайшего психоаналитика — две недели по болотам

Maxim
Коллекция Морозовых, которая всегда в Москве: гид по архитектурным активам династии Коллекция Морозовых, которая всегда в Москве: гид по архитектурным активам династии

Как наследие знаменитой купеческой династии по-прежнему служит Москве

Forbes
Палеонтологи описали живших 11,5 миллиона лет назад нелетающих лебедей-фильтраторов Палеонтологи описали живших 11,5 миллиона лет назад нелетающих лебедей-фильтраторов

Крылья и хвост этих лебедей формировали «колыбель» для птенцов

N+1
Смотри в оба! Смотри в оба!

Несколько самых распространенных мифов о глазах

Лиза
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
Собака или кошка? Какое животное подойдет именно тебе Собака или кошка? Какое животное подойдет именно тебе

Кошка или собака? Морская свинка или хамелеон? Кто тебе подойдет?

Cosmopolitan
Австралийцы выпустили в природу 80 лягушек вымирающего вида Австралийцы выпустили в природу 80 лягушек вымирающего вида

Литории Спенсера почти вымерли из-за грибковой инфекции и лесных пожаров

N+1
«Средний класс ничего хорошего не ждет»: интервью Рубена Ениколопова Forbes «Средний класс ничего хорошего не ждет»: интервью Рубена Ениколопова Forbes

Реальность, в которой живет российская экономика, поменялась на годы вперед

Forbes
Давление под контролем Давление под контролем

Думаешь, гипертонией страдают исключительно пожилые люди? Это не так!

Лиза
Забытая первая роль Джима Керри потрясла фанатов — комик сдерживал свой талант Забытая первая роль Джима Керри потрясла фанатов — комик сдерживал свой талант

Послужной список Джима Керри открывался очень необычной ролью

Cosmopolitan
9 неочевидных произведений классиков литературы 9 неочевидных произведений классиков литературы

Романы и сборники рассказов, ставших культовыми в среде знатоков словесности

СНОБ
Изгнанник из рода Романовых: как сложилась жизнь великого князя, уличенного в преступлении Изгнанник из рода Романовых: как сложилась жизнь великого князя, уличенного в преступлении

Судьба великого князя Николая Романова — уникальна

Вокруг света
«Я записался в добровольческую армию» «Я записался в добровольческую армию»

Еврей-доброволец пишет письмо русским белогвардейцам в оккупированном Париже

Дилетант
Как повара экономили на продуктах в столовых СССР —  и этого никто не замечал! Как повара экономили на продуктах в столовых СССР —  и этого никто не замечал!

Хлеще домохозяек в СССР хитрили только повара столовых

Cosmopolitan
Как миллиардер из Китая за пять лет вошел в топ-20 богатейших людей мира Как миллиардер из Китая за пять лет вошел в топ-20 богатейших людей мира

Как миллиардер Чанпэн Чжао увеличивал свое состояние

Forbes
В каких продуктах больше всего скрытого сахара: бдительность не повредит В каких продуктах больше всего скрытого сахара: бдительность не повредит

В каких продуктах много «тайного» сахара

Популярная механика
Шак и 50 лет на высоте Шак и 50 лет на высоте

Шакил О'Нил хочет успеть оставить на земле заметный след

Men’s Health
Психологи выяснили, почему криптовалюта привлекает психопатов и садистов Психологи выяснили, почему криптовалюта привлекает психопатов и садистов

Почему криптовалюта интересует людей с выраженными качествами «темной тетрады»

Psychologies
Как побороть последствия стресса для тела и сознания: мнения экспертов Как побороть последствия стресса для тела и сознания: мнения экспертов

Как сохранить здоровье тела и ясность ума в нашу тревожную эпоху?

РБК
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
5 полезных привычек, которые помогут экономить 5 полезных привычек, которые помогут экономить

Эти советы позволят вам не тратить лишние деньги, которых так часто не хватает

Популярная механика
Как перестать стесняться: 9 советов психолога Как перестать стесняться: 9 советов психолога

Разбираемся, как преодолеть стеснительность

РБК
Макияж по-азиатски: как женщины из Кореи и Китая меняют лицо до неузнаваемости Макияж по-азиатски: как женщины из Кореи и Китая меняют лицо до неузнаваемости

Видео с азиатскими девушками до и после макияжа почти пугают

VOICE
Вы неправильно ностальгируете: психолог объясняет, как это делать без опасных последствий Вы неправильно ностальгируете: психолог объясняет, как это делать без опасных последствий

Боль из-за воспоминаний и непреодолимое желание все повторить — это ненормально

Psychologies
Открыть в приложении