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
Знатные авары оказались генетически близки древним монголам Знатные авары оказались генетически близки древним монголам

Знатные авары происходили от северо-восточных азиатов

N+1
Черная дырка от бублика Черная дырка от бублика

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

Weekend
Смотри в оба! Смотри в оба!

Несколько самых распространенных мифов о глазах

Лиза
Похудеть и подтянуть мышцы в руках: 5 простых упражнений для дома Похудеть и подтянуть мышцы в руках: 5 простых упражнений для дома

Комплекс упражнений для дома, чтобы укрепить мышцы рук

VOICE
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
«Тайные агенты Ватикана»: почему мир невзлюбил иезуитов «Тайные агенты Ватикана»: почему мир невзлюбил иезуитов

Кто такие иезуиты и как заработали дурную репутацию?

Вокруг света
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
Как выстроить отношения между отчимом и ребенком: 5 советов от детского психолога Как выстроить отношения между отчимом и ребенком: 5 советов от детского психолога

Как помочь ребенку наладить отношения с отчимом

Psychologies
Химики нашли удобный способ окисления белого фосфора Химики нашли удобный способ окисления белого фосфора

Химики научились легко превращать белый фосфор в удобный исходник для синтеза

N+1
Какой бывает самая сильная боль, которую может испытать человек: 5 видов Какой бывает самая сильная боль, которую может испытать человек: 5 видов

Иногда боль бывает настолько сильной, что ее буквально невозможно терпеть

Вокруг света
Как использовать старую зубную щетку: 13 необычных способов Как использовать старую зубную щетку: 13 необычных способов

Зубную щетку может заменить десятки различных приспособлений для дома

Популярная механика
Глобальное потепление: антропогенная катастрофа или природная закономерность Глобальное потепление: антропогенная катастрофа или природная закономерность

Тенденция на повышение средней температуры наблюдается по всему миру

Популярная механика
Как правильно чистить смартфон от загрязнений Как правильно чистить смартфон от загрязнений

Мобильный телефон называют одним из самых загрязнённых предметов в доме

Популярная механика
Как менялся климат нашей планеты: непредсказуемые колебания Как менялся климат нашей планеты: непредсказуемые колебания

Насколько велико влияние человечества на климат планеты, почему он меняется

Популярная механика
Поворотный момент: как справиться с финансовыми потерями Поворотный момент: как справиться с финансовыми потерями

Финансовый кризис может стать поворотным моментом в жизни

Forbes
Новые правила: как сохранить потенциал компании при смене владельцев Новые правила: как сохранить потенциал компании при смене владельцев

Одна из самых болезненных тем — смена собственников международных компаний

Inc.
Как три друга открыли издательство, чтобы выпускать литературу о бизнесе и науке Как три друга открыли издательство, чтобы выпускать литературу о бизнесе и науке

На российском книжном рынке не так много частных издательств с долгой историей

Forbes
Цветаева и ее мать: как одна трагичная история родительства перетекла в другую Цветаева и ее мать: как одна трагичная история родительства перетекла в другую

«Жалко ребенка — за два года земной жизни ничего, кроме голода, холода и побоев»

Cosmopolitan
«Рассталась с абьюзером и теперь мучаюсь из-за чувства вины» «Рассталась с абьюзером и теперь мучаюсь из-за чувства вины»

Какие чувства испытывает жертва абьюза после разрыва отношений?

Psychologies
«Наша аудитория — это люди эпохи сервисов доставки и шеринга. Мы для них такой же сервис — только в сфере жилья»: основатель Colife Артем Бабинов о коливингах в России и ОАЭ «Наша аудитория — это люди эпохи сервисов доставки и шеринга. Мы для них такой же сервис — только в сфере жилья»: основатель Colife Артем Бабинов о коливингах в России и ОАЭ

Основатель Colife — о формате коливингов и рынке недвижимости в ОАЭ

Inc.
Что не дает нам обратиться к психологу: преграды внешние и внутренние Что не дает нам обратиться к психологу: преграды внешние и внутренние

Что нас останавливает от психотерапии и как с этим быть

Psychologies
У каждого региона — свой наличник: как бывший айтишник спасает «вымирающую красоту» России У каждого региона — свой наличник: как бывший айтишник спасает «вымирающую красоту» России

История фотографа, который собирает коллекцию снимков резных оконных наличников

Вокруг света
41 лайфхак для уборки дома с помощью натуральных средств 41 лайфхак для уборки дома с помощью натуральных средств

Хотите отчистить дом до блеска? Мы собрали все работающие методы в одну статью

Популярная механика
Существуют ли молекулы без химических связей? Существуют ли молекулы без химических связей?

Можно ли построить классическую молекулу без химической связи?

Популярная механика
Курс начинающего бёрдвотчера: 11 птиц России, которых можно увидеть, путешествуя под парусом Курс начинающего бёрдвотчера: 11 птиц России, которых можно увидеть, путешествуя под парусом

Рассказываем о пернатых, обитающих от Финского залива до Дальнего Востока

Вокруг света
10 самых частых ошибок, которые вы совершаете, когда варите кофе дома 10 самых частых ошибок, которые вы совершаете, когда варите кофе дома

Даже если ваш кофе кажется вам и так вкусным, прочитайте эту статью

Популярная механика
Ночной режим съемки в смартфоне: как творится волшебство Ночной режим съемки в смартфоне: как творится волшебство

Заглянем «под капот» режима ночной съемки в смартфоне

CHIP
Завтрак у Тиффани Завтрак у Тиффани

Своей энергетикой этот интерьер обязан фильму с Одри Хепбёрн — Завтрак у Тиффани

SALON-Interior
Взрослеют в эпоху глобальных перемен: есть ли надежда на поколение 20-летних Взрослеют в эпоху глобальных перемен: есть ли надежда на поколение 20-летних

Как и чем живет в современной России новое поколение?

Forbes
Открыть в приложении