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
«Позовите капитана Ященко»: топ-10 самых смешных розыгрышей на 1 апреля «Позовите капитана Ященко»: топ-10 самых смешных розыгрышей на 1 апреля

День дурака запомнился нашим читательницам больше всего

Cosmopolitan
Почему еда хранится долго и при чём здесь кислород? Почему еда хранится долго и при чём здесь кислород?

Может ли что-то настоящее проходить сквозь стены?

Наука и жизнь
«Русский Hummer», «Гном» и другие легковушки КамАЗа «Русский Hummer», «Гном» и другие легковушки КамАЗа

Легковые машины от главного отечественного производителя грузовиков КамАЗ

РБК
8 простых советов, которые позволят протирать пыль раз в месяц и реже 8 простых советов, которые позволят протирать пыль раз в месяц и реже

Как свести пыль в доме к минимуму

Cosmopolitan
17 лучших продуктов, снижающих уровень сахара в крови 17 лучших продуктов, снижающих уровень сахара в крови

Риски развития диабета можно значительно снизить, оздоровив свой рацион

Популярная механика
Поворот к любви и дружбе: как «новая этика» и кризис влияют на нас Поворот к любви и дружбе: как «новая этика» и кризис влияют на нас

Почему сегодня люди ищут настоящую дружбу и искреннюю любовь?

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
Зачем женщине в любом возрасте нужен муж: меткое объяснение Галины Вишневской Зачем женщине в любом возрасте нужен муж: меткое объяснение Галины Вишневской

Как великая русская оперная дива определяла главную пользу от замужества

Cosmopolitan
Сати Казанова: «Жизнь рядом со Стефано стала легкой и радостной» Сати Казанова: «Жизнь рядом со Стефано стала легкой и радостной»

Сати Казанова – одна из самых ярких бывших участниц группы «Фабрика»

Лиза
Этот маньяк выдавал похищенную падчерицу за свою дочь, а потом женился на ней Этот маньяк выдавал похищенную падчерицу за свою дочь, а потом женился на ней

Похоже сценарий жуткого фильма, но это случилось на самом деле

Cosmopolitan
Как чашка кофе может привести к диабету и кому лучше от него отказаться Как чашка кофе может привести к диабету и кому лучше от него отказаться

Как узнать, можно ли вам кофе и сколько?

Популярная механика
Интервью с председателем совета директоров «Союзмультфильма» Юлианой Слащевой Интервью с председателем совета директоров «Союзмультфильма» Юлианой Слащевой

Юлианой Слащевой — о конкурентоспособности отечественной анимации

СНОБ
Отрывок из книги Лианы Мориарти «Яблоки не падают никогда» Отрывок из книги Лианы Мориарти «Яблоки не падают никогда»

Публикуем отрывок из романа «Яблоки не падают никогда» Лианы Мориарти

СНОБ
Вы всегда делали это неправильно: 20 правил содержания домашних кошек, которые постоянно нарушают владельцы Вы всегда делали это неправильно: 20 правил содержания домашних кошек, которые постоянно нарушают владельцы

Увы, иногда наша любовь может навредить кошке. А как правильно?

ТехИнсайдер
Как правильно выбрать собаку: простые тесты для определения своего питомца Как правильно выбрать собаку: простые тесты для определения своего питомца

Как при выборе собаки оценить её характер и поведение

Популярная механика
«У меня есть все для счастья, но я его не испытываю» «У меня есть все для счастья, но я его не испытываю»

Как справиться с выматывающей повседневностью?

Psychologies
Одинокие женщины: что они чувствуют? Одинокие женщины: что они чувствуют?

Одиночество можно использовать во благо себе

Psychologies
Тихоходки покатались на улитках Тихоходки покатались на улитках

Тихоходки расселяются с помощью улиток

N+1
Не мимикой единой Не мимикой единой

Неожиданные привычки, приводящие к морщинам

Лиза
«Вымершая» австралийская орхидея 22 года скрывалась под другим именем «Вымершая» австралийская орхидея 22 года скрывалась под другим именем

Орхидея Prasophyllum morganii считалась вымершей почти 90 лет назад

N+1
Оборудование для студентов онлайн-курсов: как организовать учебное место дома Оборудование для студентов онлайн-курсов: как организовать учебное место дома

Популярность онлайн-образования в России резко возросла после начала пандемии

Популярная механика
Врачи поставили испанцу диагноз по переползающим пятнам на коже Врачи поставили испанцу диагноз по переползающим пятнам на коже

Стронгилоидоз — редкая болезнь, которую вызывает круглый червь

N+1
Как вернуться в тренажерный зал после долгого перерыва: 5 простых шагов Как вернуться в тренажерный зал после долгого перерыва: 5 простых шагов

Как возобновить тренировки и вернуться в прежнее русло?

Популярная механика
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
В Китае нашли один из древнейших искусственно деформированных черепов В Китае нашли один из древнейших искусственно деформированных черепов

Череп принадлежал взрослому мужчине, жившему около 11 тысяч лет назад

N+1
Система сборов: как зарабатывает и сколько тратит Всемирное антидопинговое агентство Система сборов: как зарабатывает и сколько тратит Всемирное антидопинговое агентство

Как устроено антидопинговое агентство и кто его финансирует7

Forbes
Почему жители бедных стран могут считать себя счастливыми и надо ли их разубеждать Почему жители бедных стран могут считать себя счастливыми и надо ли их разубеждать

Можем ли мы доверять мнениям людей о собственном счастье?

Forbes
15 эффективных способов снизить артериальное давление в домашних условиях 15 эффективных способов снизить артериальное давление в домашних условиях

Гипертонию не зря называют «тихой убийцей»: она часто проходит бессимптомно

Популярная механика
Черная дырка от бублика Черная дырка от бублика

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

Weekend
Открыть в приложении