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
«Дети ТикТока»: что на самом деле волнует современную молодежь? «Дети ТикТока»: что на самом деле волнует современную молодежь?

Чему можно поучиться у очередного «потерянного поколения» зумеров?

Psychologies
Призывная комиссия: почему служба в армии приводит к экономическим издержкам Призывная комиссия: почему служба в армии приводит к экономическим издержкам

Призыв наносит существенный вред как призывникам так и экономике страны

Forbes
Шаманскую многоствольную флейту бронзового века назвали кугиклами Шаманскую многоствольную флейту бронзового века назвали кугиклами

Археологи повторно исследовали находки, сделанные в 1960-е годы в Польше

N+1
Лучшие блюда корейской кухни: 5 рецептов необычных супов Лучшие блюда корейской кухни: 5 рецептов необычных супов

Важно иметь возможность приготовить еду за максимально короткое время

Вокруг света
Как в декрете открыть свой бизнес с нуля без вложений Как в декрете открыть свой бизнес с нуля без вложений

Подробный пошаговый план для удачного запуска своего бизнеса в декрете

Лиза
Мошенники придумали способ обойти техосмотр: что будет за подделку Мошенники придумали способ обойти техосмотр: что будет за подделку

Эксперты предупредили о поддельном техосмотре

РБК
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
Диатомовые водоросли помогли паукам окаменеть Диатомовые водоросли помогли паукам окаменеть

Серосодержащие вещества превратили хитин пауков в стабильные соединения

N+1
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
20 важных открытий XXI века 20 важных открытий XXI века

Мы умеем ремонтировать гены и управлять протезами силой мысли

Вокруг света
Как защитить психику ребенка во время кризиса? Как защитить психику ребенка во время кризиса?

Как помочь детям справиться с кризисом?

Psychologies
Там, где пробок точно нет. Крутые луноходы от автомобильных компаний Там, где пробок точно нет. Крутые луноходы от автомобильных компаний

Многие известные компании предложили свои варианты транспорта для Луны

РБК
Что смотреть и пробовать в Тюменской области. Гид «РБК Стиль» Что смотреть и пробовать в Тюменской области. Гид «РБК Стиль»

Тюменская область: сибирское барокко, термальные источники и бескрайняя тайга

РБК
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
8 продуктов, которые быстро сжигают лишний жир 8 продуктов, которые быстро сжигают лишний жир

Чтобы похудеть — достаточно просто добавить в рацион эти продукты

Популярная механика
Как не верить всему, что приходит нам в голову: 3 техники Как не верить всему, что приходит нам в голову: 3 техники

Что мы можем сделать, чтобы научиться отделять свои домыслы от реальности?

Psychologies
Станет хуже: 5 вещей, которые опасно делать при повышенном давлении Станет хуже: 5 вещей, которые опасно делать при повышенном давлении

Если у тебя поднялось давление, то важно не усугублять свое состояние

Cosmopolitan
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
Еще три вкусных продукта, которые помогут сжечь лишний жир Еще три вкусных продукта, которые помогут сжечь лишний жир

Здоровая и вкусная пища, которая способствует избавлению от лишнего веса

Популярная механика
12 легендарных вещей, которые переживут войну, голод, мор и твоих внуков 12 легендарных вещей, которые переживут войну, голод, мор и твоих внуков

Портреты вещей, которые с усмешкой смотрят на наш меняющийся мир

Maxim
Алена Хмельницкая: «У меня нет стопроцентного амплуа положительной героини» Алена Хмельницкая: «У меня нет стопроцентного амплуа положительной героини»

Мои дамочки достаточно сложные и стервозные, и я их люблю

Караван историй
Джонатан Франзен: «Перекрестки». Отрывок из нового романа Джонатан Франзен: «Перекрестки». Отрывок из нового романа

Отрывок из романа «Перекрестки» — о семье пастора в Америке 1970-х

СНОБ
Мужчины никому не интересны: ученые изучили аудиторию приложений для знакомств и пришли к неутешительным выводам Мужчины никому не интересны: ученые изучили аудиторию приложений для знакомств и пришли к неутешительным выводам

Почему в интернете мужчины получают меньше внимания, чем девушки?

Популярная механика
Магический феминизм Магический феминизм

«Пронзительно громко»: экранизация Сесилии Ахерн

Weekend
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
«Перед рассветом» и «Другая Бовари»: 13 фильмов про отношения «Перед рассветом» и «Другая Бовари»: 13 фильмов про отношения

Фильмы, которые наполнят вас теплом и поднимут настроение

РБК
Шок и трепет. Почему после новой BMW 7 серии мир не будет прежним Шок и трепет. Почему после новой BMW 7 серии мир не будет прежним

BMW 7 — дизайн на грани фола и революционная электроника

РБК
5 способов найти применения старым гаджетам: они вам пригодятся 5 способов найти применения старым гаджетам: они вам пригодятся

Мы знаем лучшее применение устаревших гаджетов

Популярная механика
Как в кино: какие сценарии разыгрывает наше подсознание Как в кино: какие сценарии разыгрывает наше подсознание

Хотите узнать, чем все закончится в вашей истории и чем сердце успокоится?

Psychologies
Открыть в приложении