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

Правда ли, что потеряв одно чувство, мозг обостряет другие Правда ли, что потеряв одно чувство, мозг обостряет другие

Что происходит, когда теряется какое-либо из пяти чувств?

Популярная механика
Разум и чувства Разум и чувства

Нестандартное планировочное решение и минималистская стилистика

SALON-Interior
И мы завидовали? Пусть эти тренды из нулевых никогда не возвращаются! И мы завидовали? Пусть эти тренды из нулевых никогда не возвращаются!

В последнее время мир сошел с ума по эстетике 2000-х, и это зашло слишком далеко

Cosmopolitan
Есть ли жизнь без БАДов Есть ли жизнь без БАДов

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

СНОБ
Глава «АйТи Десижн» — о том, как из гуру IT стать ресторатором и актером Глава «АйТи Десижн» — о том, как из гуру IT стать ресторатором и актером

Глава «АйТи Десижн» — о русской кухне из печи и съемках в кино

РБК
Женщина-собственница: чем ты рискуешь, если считаешь мужчину своим имуществом Женщина-собственница: чем ты рискуешь, если считаешь мужчину своим имуществом

«Мой мужчина должен быть только моим» — чем это может обернуться на практике?

Cosmopolitan
10 главных запретов в СССР, которые кажутся нам дикими 10 главных запретов в СССР, которые кажутся нам дикими

В СССР хватало моментов, которые мы с вами ни за что бы не хотели повторить

Cosmopolitan
Одна вокруг света: кирпичная фабрика в горах и индейцы кечуа-отавала Одна вокруг света: кирпичная фабрика в горах и индейцы кечуа-отавала

165-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: Эквадор

Forbes
5 плохих и 5 хороших способов закончить отношения 5 плохих и 5 хороших способов закончить отношения

Есть способы расстаться по-хорошему и без взаимных обид

Psychologies
Воспитание в эпоху перемен: за что нас будут критиковать дети? Воспитание в эпоху перемен: за что нас будут критиковать дети?

Как правильно растить ребенка? Быть строгим родителем или давать полную свободу?

Psychologies
Почему ходить к проктологу – это не больно и не страшно: врач развенчал мифы Почему ходить к проктологу – это не больно и не страшно: врач развенчал мифы

Поход к проктологу многими воспринимается как кошмар и ужас, а зря!

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
Боязнь лифтов и самолетов — что такое клаустрофобия и как с ней жить Боязнь лифтов и самолетов — что такое клаустрофобия и как с ней жить

Клаустрофобией могут страдать люди разных возрастов, и причин для этой нее много

РБК
Вершки и корешки с историей: 9 древнейших овощей на нашей грядке Вершки и корешки с историей: 9 древнейших овощей на нашей грядке

Какой путь проделали овощные культуры, прежде чем оказаться на наших грядках?

Вокруг света
Cristiano Ronaldo Cristiano Ronaldo

Криштиану Роналду — самый узнаваемый спортсмен на планете

ЖАРА Magazine
Почему Юнг в моде в сложные времена, в том числе в наши дни Почему Юнг в моде в сложные времена, в том числе в наши дни

Почему идеи Густава Юнга сегодня в моде?

Psychologies
10 причин избыточного веса: как найти проблему 10 причин избыточного веса: как найти проблему

Перестаньте ругать себя. Лишний вес – очень сложная проблема

Популярная механика
Дома не сажать: 6 комнатных растений, которые требуют особого ухода Дома не сажать: 6 комнатных растений, которые требуют особого ухода

И среди цветоводов есть свой рейтинг нелюбимых растений

Популярная механика
8 рекомендаций, которые помогут контролировать уровень сахара в крови 8 рекомендаций, которые помогут контролировать уровень сахара в крови

Если вы заботитесь о своем здоровье, важно контролировать уровень сахара в крови

Популярная механика
Охота редчайшего черного леопарда попала на видео. Посмотрите на эту удивительную дикую кошку Охота редчайшего черного леопарда попала на видео. Посмотрите на эту удивительную дикую кошку

Такой леопард — один на весь Национальный парк, а может — и на всю Индию

Популярная механика
Первобытные быки не дали зарасти лесом окрестностям Стоунхенджа Первобытные быки не дали зарасти лесом окрестностям Стоунхенджа

Ученые исследовали образцы отложений с мезолитической стоянки Блик-Мид

N+1
На чистоте воздуха решили сэкономить На чистоте воздуха решили сэкономить

Россия смягчает природоохранные требования к бизнесу

Эксперт
7 женщин, которые уверены, что их свекрови явились прямиком из ада 7 женщин, которые уверены, что их свекрови явились прямиком из ада

Конфликты с родителями второй половины оказываются самыми злыми и неразрешимыми

Cosmopolitan
Убийца внутри вас Убийца внутри вас

Как не дать самому себе убить себя

Men’s Health
Где проще общаться — в Сети или в реальной жизни? 69% людей считают, что в Сети Где проще общаться — в Сети или в реальной жизни? 69% людей считают, что в Сети

Почему люди считают, что знакомиться в интернете значительно проще

Cosmopolitan
7 нелепых диет: почему стоит держаться от них подальше 7 нелепых диет: почему стоит держаться от них подальше

Рассмотрим топ-7 нелепых диет, которых не стоит придерживаться

Psychologies
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
Не судьба: 7 признаков того, что парфюм тебе не подошел Не судьба: 7 признаков того, что парфюм тебе не подошел

Как понять, что духи тебе не подходят?

VOICE
Человек с улицы Эйзенштейна. К 100-летию кинорежиссера Станислава Ростоцкого Человек с улицы Эйзенштейна. К 100-летию кинорежиссера Станислава Ростоцкого

Рассказываем истории отношения Станислава Ростоцкого и Сергея Эйзенштейна

СНОБ
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
Открыть в приложении