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

Кого считать мертвым: как менялись представления о границе между жизнью и смертью Кого считать мертвым: как менялись представления о границе между жизнью и смертью

Современная медицина поставила под сомнение привычную черту смерти

Вокруг света
Татьяна Устинова: «Нужно делать что должно, и будь что будет!» Татьяна Устинова: «Нужно делать что должно, и будь что будет!»

Татьяна Устинова о новой книге, профессии писателя и чудесах в жизни

Лиза
Гении маскировки: 7 животных с неповторимым камуфляжем Гении маскировки: 7 животных с неповторимым камуфляжем

Порой, то, что кажется «красивым окрасом», является настоящим охотничьим оружием

Популярная механика
Как мотивировать себя в момент упадка сил Как мотивировать себя в момент упадка сил

Как найти в себе силы и мотивацию, когда кажется, что их совсем не осталось

Psychologies
Добавка оксида бария в катализатор увеличила эффективность получения этиленоксида Добавка оксида бария в катализатор увеличила эффективность получения этиленоксида

Химики разработали эффективный метод получения этиленоксида из углекислого газа

N+1
5 ранних признаков деменции, которые не связаны с забывчивостью 5 ранних признаков деменции, которые не связаны с забывчивостью

Симптомы, которые не имеют ничего общего с привычными нам признаками деменции

Популярная механика
Отчаяние и бессилие: есть ли выход? Отчаяние и бессилие: есть ли выход?

Как жить дальше, если совсем нет сил?

Psychologies
«Я видела, как родители занимались сексом, и это меня травмировало» «Я видела, как родители занимались сексом, и это меня травмировало»

Что делать, если секс стал предметом выяснения отношений и источником стыда

Psychologies
Что делать, если компьютер начал сильно шуметь? Как исправить проблему своими руками Что делать, если компьютер начал сильно шуметь? Как исправить проблему своими руками

Что проверить, если компьютер начал странно шуметь?

Популярная механика
Вызов мастера Вызов мастера

Джорджо Армани продолжает вести индустрию за собой

Harper's Bazaar
Как создавался Pathfinder? Десять вопросов Старшему директору по дизайну Nissan Как создавался Pathfinder? Десять вопросов Старшему директору по дизайну Nissan

Разговор с человеком, работавшим над созданием нового Nissan Pathfinder

4x4 Club
От суфражисток до профсоюзных лидеров: 5 фильмов о женской солидарности От суфражисток до профсоюзных лидеров: 5 фильмов о женской солидарности

Фильмы о героинях, которые борются за равные права с мужчинами

Forbes
Как снизить тревожность сотрудников в условиях кризиса Как снизить тревожность сотрудников в условиях кризиса

Как снизить тревогу в команде и направить её в нужное русло?

Inc.
Вы и не замечали, как попадались на их уловки: мифы о мозге, которыми пользуются маркетологи Вы и не замечали, как попадались на их уловки: мифы о мозге, которыми пользуются маркетологи

Какой информации об устройстве мозга верить можно, а какой — точно нельзя?

ТехИнсайдер
Какие машины выпускают в Северной Корее: «Свисток», «Кукушка» и другие Какие машины выпускают в Северной Корее: «Свисток», «Кукушка» и другие

Как устроена автомобильная реальность Северной Кореи

РБК
Легенда о «Стерегущем» Легенда о «Стерегущем»

Памятник «Стерегущему» — миноносцу, погибшему во время Русско-японской войны

Дилетант
Что влияет на желание в постели? Что влияет на желание в постели?

Какие факторы влияют на сексуальный темперамент

Psychologies
Когда что-то пошло не так: 3 истории о неудачных попытках вылететь на отдых Когда что-то пошло не так: 3 истории о неудачных попытках вылететь на отдых

Самые обидные провалы в аэропорту

Playboy
Женщины во время военных конфликтов: как складывались судьбы походно-полевых жен Женщины во время военных конфликтов: как складывались судьбы походно-полевых жен

Военно-полевые романы – как это было на самом деле?

Популярная механика
Сквозь хаос девяностых к тревожным нулевым: «Сезон отравленных плодов» — роман о поколении тридцатилетних Сквозь хаос девяностых к тревожным нулевым: «Сезон отравленных плодов» — роман о поколении тридцатилетних

Отрывок из романа Веры Богдановой «Сезон отравленных плодов»

Esquire
Деменция: 8 признаков, при которых нельзя оставлять пожилых родителей одних Деменция: 8 признаков, при которых нельзя оставлять пожилых родителей одних

Как вовремя определить начало деменции?

Популярная механика
Краткая история советского спортивного стиля, часть первая (1920–1960-е) Краткая история советского спортивного стиля, часть первая (1920–1960-е)

У СССР со спортом и физкультурой всегда были особые отношения

Esquire
8 советов по быстрой уборке: как эффективно и поскорее создать порядок (или его видимость) 8 советов по быстрой уборке: как эффективно и поскорее создать порядок (или его видимость)

Как убраться в последнюю минуту?

Популярная механика
Как будет работать интернет на Луне: готовимся к масштабной эмиграции в космос Как будет работать интернет на Луне: готовимся к масштабной эмиграции в космос

Andromeda обеспечит связью абонентов, которые будут жить и работать на Луне

Популярная механика
Лучше обычного газона: 20 неприхотливых почвопокровных растений Лучше обычного газона: 20 неприхотливых почвопокровных растений

Эти растения могут предотвратить появление сорняков на участках твоей дачи

Cosmopolitan
Ангельская нумерология: что означает число 333 — подробная расшифровка Ангельская нумерология: что означает число 333 — подробная расшифровка

Бывало ли у тебя такое, что ты часто видела одно и то же число?

Cosmopolitan
Физики впервые увидели квантовый бумеранг в эксперименте Физики впервые увидели квантовый бумеранг в эксперименте

Сообщили о первом экспериментальном подтверждении эффекта квантового бумеранга

N+1
Бессмертный подвиг: как 68 красноармейцев победили 700 нацистов Бессмертный подвиг: как 68 красноармейцев победили 700 нацистов

Подвиг, который навсегда вошел в историю

Cosmopolitan
5 способов быстро сварить свеклу, сохранив все витамины 5 способов быстро сварить свеклу, сохранив все витамины

Как быстро сварить свёклу, чтобы она не потеряла своих полезных свойств

Популярная механика
С чего начинается Родина: как менялась идея патриотизма в России С чего начинается Родина: как менялась идея патриотизма в России

За последние сто лет в России патриотические чувства испытывали взлеты и падения

Psychologies
Открыть в приложении