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

6 самых страшных советских маньяков 6 самых страшных советских маньяков

Не Чикатило единым славилась советская криминалистика

Maxim
Медики синхронно проследили за патогенами и динамикой рака Медики синхронно проследили за патогенами и динамикой рака

Анализ внеклеточной ДНК снизит количество биопсий для детей с лейкемией

N+1
Принцесса Нур Инайят Хан: история разведчицы, рекорд которой запрещали повторять Принцесса Нур Инайят Хан: история разведчицы, рекорд которой запрещали повторять

Нур Инайят Хан — одна из самых легендарных разведчиц Второй Мировой

Популярная механика
7 опасных заболеваний, которые врачи могут определить по запаху 7 опасных заболеваний, которые врачи могут определить по запаху

Отказ печени, диабет, некоторые формы рака — как их определить по запаху?

Популярная механика
Физики оценили роль квантовой когерентности в работе птичьего компаса Физики оценили роль квантовой когерентности в работе птичьего компаса

Как устроена чувствительность к магнитому полю у перелетных птиц?

N+1
Кристоф Андре: «Умение утешать и принимать утешение может открыть перед вами множество новых путей к счастью и благополучию» Кристоф Андре: «Умение утешать и принимать утешение может открыть перед вами множество новых путей к счастью и благополучию»

Кристоф Андре, специалист по лечению тревожных и депрессивных расстройств

Здоровье
Истекающие кровью: почему нас всех так пугает менструация Истекающие кровью: почему нас всех так пугает менструация

Менструация — табу: почему люди так стесняются этой темы?

VOICE
От «Служебного романа» к героям 1990-х: как в России менялись гендерные стереотипы От «Служебного романа» к героям 1990-х: как в России менялись гендерные стереотипы

Как в СССР и постсоветское время менялись стереотипы о «женском предназначении»

Forbes
Современные весы: что означают цифры на «умных» устройствах Современные весы: что означают цифры на «умных» устройствах

Что и как можно понять из выданных показателей умных весов

VOICE
Упражнения для спины, которые помогут снять усталость после целого дня в офисе Упражнения для спины, которые помогут снять усталость после целого дня в офисе

Всё, что вам понадобится — стул с прямой спинкой, бутылка с водой и 15 минут

Популярная механика
«Все везде и сразу»: как «Матрица», только о сепарации «Все везде и сразу»: как «Матрица», только о сепарации

«Я горжусь тобой» — чего только не делают люди, чтобы услышать эту фразу

Psychologies
Над злобой дня Над злобой дня

Книги о столкновении человека со злом, которые стоит перечитать

Weekend
10 продуктов, от которых нельзя поправиться: есть и не толстеть 10 продуктов, от которых нельзя поправиться: есть и не толстеть

Продукты, которые можно есть практически без ограничений

Популярная механика
Что делать, если мужчина охладел в постели Что делать, если мужчина охладел в постели

Партнер теряет к тебе сексуальный интерес? SOS: куда бежать и что предпринимать?

Лиза
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
Мир, в котором мы живем: как данные могут спасти человечество Мир, в котором мы живем: как данные могут спасти человечество

Дата-грамотность — ключевой навык сегодняшнего дня

Вокруг света
8 продуктов, которые ни в коем случае нельзя есть просроченными 8 продуктов, которые ни в коем случае нельзя есть просроченными

Некоторые продукты с последним ударом часов превращаются в настоящий яд

Популярная механика
Круглый год с крепким иммунитетом: 14 полезных продуктов Круглый год с крепким иммунитетом: 14 полезных продуктов

Какие продукты повышают иммунитет у взрослых людей

VOICE
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
Фейсфитнес за 5 минут: гимнастика для лица, которую можно делать даже на работе Фейсфитнес за 5 минут: гимнастика для лица, которую можно делать даже на работе

Специальная гимнастика для мышц лица может дать потрясающий результат

VOICE
Как контролировать сильные эмоции: 4 шага к спокойствию Как контролировать сильные эмоции: 4 шага к спокойствию

Во всех случаях сильные переживания подчиняют себе жизнь. Как с ними справиться?

Psychologies
20 важных открытий XXI века 20 важных открытий XXI века

Мы умеем ремонтировать гены и управлять протезами силой мысли

Вокруг света
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
Как не пропустить начало деменции у пожилых родителей: 5 неявных признаков Как не пропустить начало деменции у пожилых родителей: 5 неявных признаков

Что может указывать на раннюю стадию деменции и как ее предупредить

Psychologies
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
5 простых операций с ПК, чтобы ваш компьютер работал быстро и без сбоев 5 простых операций с ПК, чтобы ваш компьютер работал быстро и без сбоев

Как правильно ухаживать за компьютером, чтобы он прослужил вам как можно дольше

CHIP
Как Марин Ле Пен из блондинки в законе превратилась во французского дьявола Как Марин Ле Пен из блондинки в законе превратилась во французского дьявола

Чем известна Марин Ле Пен и как она стала кандидатом в президенты Франции

Cosmopolitan
В спинном мозге мышей обнаружили нейроны приятных прикосновений В спинном мозге мышей обнаружили нейроны приятных прикосновений

Исследователи изучили один из типов нейронов медленных волокон в спинном мозге

N+1
5 продуктов, которые зарядят вас энергией: советы нутрициолога 5 продуктов, которые зарядят вас энергией: советы нутрициолога

Чтобы переключиться с энергосберегающего режима, нам требуется поддержка

Psychologies
Есть ли жизнь без БАДов Есть ли жизнь без БАДов

О значении БАДов и о том, как улучшить самочувствие без них

СНОБ
Открыть в приложении