Tutkimusmuistioissa

heterogeenisissä kemiallisissa reaktioissa on reaktantteja, jotka ovat vähintään kahdessa eri vaiheessa (esimerkiksi kaasu kiinteän aineen kanssa), kun taas homogeeniset reaktiot tapahtuvat yhdessä vaiheessa (esimerkiksi kaasu toisen kaasun kanssa).

alkeenien ja vedyn välisessä reaktiossa käytetyn katalyytin kuvauksesta voi aiheutua sekaannusta. Kolmea metallia-nikkeliä, platinaa ja palladiumia—käytetään yleisesti, mutta kemisti ei voi yksinkertaisesti sijoittaa jonkin näistä metalleista muodostunutta kappaletta alkeenin ja vedyn seokseen ja saada aikaan reaktiota. Jokainen metallikatalyytti on valmistettava erityisellä tavalla:

• nikkeliä käytetään yleensä hienoksi jaetussa muodossa, jota kutsutaan ”Raney nickeliksi.”Se valmistetaan reagoimalla ni-Al-seokseen NaOH: n kanssa.
• palladiumia saadaan kaupallisesti ”tuettuna” inertistä aineesta, kuten puuhiilestä (Pd / C). Alkeeni liukenee yleensä etanoliin, kun katalyyttinä käytetään Pd/C: tä.
• platinaa käytetään PtO2: na, Adamsin katalyyttinä, vaikka katalyyttinä on todellisuudessa platinametalli. Hiili-hiili-kaksoissidokseen lisättävä vety myös pelkistää platina(IV) oksidin hienoksi jakautuneeksi platinametalliksi. Alkeenin liuottimena käytetään etanolia tai etikkahappoa.

muut useita sidoksia sisältävät yhdisteet, kuten ketonit, esterit ja nitriilit, eivät reagoi vedyn kanssa oloissa, joita käytetään alkeenien hydraamiseen. Alla olevissa esimerkeissä alkeeni pelkistyy, mutta siinä olevat Ketoni-ja nitriiliryhmät säilyvät muuttumattomina eivätkä pienene.

aromaattiset renkaat eivät myöskään pelkisty alkeenien pelkistämiseen käytetyissä olosuhteissa, vaikka nämä renkaat näyttävät sisältävän kolme hiili-hiili-kaksoissidosta. Kuten myöhemmin nähdään, aromaattiset renkaat eivät varsinaisesti sisällä kaksoissidoksia, ja monet kemistit esittävät bentseenirenkaan mieluummin kuusikulmiona, jonka sisällä on ympyrä

, kuin kuusikulmiona, jossa on kolme vuorottelevaa kaksoissidosta.

bentseenirenkaan esittämistä käsitellään tarkemmin kohdassa 15.2.

hiili-hiili-kaksoissidosten ja vedyn välisellä reaktiolla saadaan selville yhdisteessä esiintyvien kaksoissidosten lukumäärä. Esimerkiksi yksi mooli syklohekseeniä reagoi yhden moolin kanssa vedyn tuottamiseksi yhden moolin sykloheksaania:

mutta yksi mooli 1,4-sykloheksadieenia reagoi kahden moolin kanssa muodostaen yhden moolin sykloheksaania:

kemisti sanoisi, että syklohekseeni reagoi yhden vastaavan vedyn kanssa ja 1,4-sykloheksadieeni reagoi kahden vastaavan vedyn kanssa. Jos otat tunnetun määrän tuntematonta, tyydyttymätöntä hiilivetyä ja määrität, kuinka paljon vetyä se absorboi, voit helposti määrittää hiilivedyssä olevien kaksoissidosten määrän (KS.kysymys 2 jäljempänä).

vedyn lisäämistä hiili-hiili-kaksoissidokseen kutsutaan vedytykseksi. Tällaisen yhteenlaskun kokonaisvaikutus on kaksoissidoksen funktionaalisen ryhmän reduktiivinen poisto. Regioselektiivisyys ei ole ongelma, sillä sama ryhmä (vetyatomi) on sitoutunut jokaiseen kaksoissidoshiileen. Yksinkertaisin kahden vetyatomin lähde on molekyylivety (H2), mutta alkeenien sekoittaminen vetyyn ei johda mihinkään havaittavaan reaktioon. Vaikka yleinen hydrausreaktio on eksoterminen, suuri aktivointienergia estää sen tapahtumisen normaaliolosuhteissa. Tätä rajoitusta voidaan kiertää käyttämällä katalyyttiä, kuten seuraavassa kaaviossa esitetään.

esimerkki alkeenien additioreaktiosta on prosessi, jota kutsutaan hydrogenation.In hydrausreaktiossa alkeenin kaksoissidoksen yli lisätään kaksi vetyatomia, jolloin muodostuu tyydyttynyt alkaani. Kaksoissidoksen hydraus on termodynaamisesti suotuisa reaktio, koska se muodostaa stabiilimman (pienenergisemmän) tuotteen. Toisin sanoen tuotteen energia on reaktantin energiaa pienempi; näin se on eksotermistä (lämpöä vapautuu). Vapautuvaa lämpöä kutsutaan vedytyslämmöksi, joka on molekyylin stabiilisuuden indikaattori.

katalyytit ovat aineita, jotka muuttavat kemiallisen reaktion nopeutta (nopeutta) kuluttamatta tai esiintymättä tuotteen osana. Katalyytit toimivat alentamalla reaktioiden aktivaatioenergiaa, mutta ne eivät muuta reaktanttien ja tuotteiden suhteellista potentiaalienergiaa. Hienojakoiset metallit, kuten platina, palladium ja nikkeli, ovat yleisimmin käytettyjä hydrauskatalyyttejä. Katalyyttinen vedytys tapahtuu vähintään kahdessa vaiheessa, kuten kuvassa esitetään. Ensin alkeeni on adsorboitava katalyytin pinnalle yhdessä osan vedystä kanssa. Seuraavaksi kaksi vetyä siirtyy metallipinnalta kaksoissidoksen hiiliin, ja tuloksena syntyvä tyydyttynyt hiilivety, joka on heikommin adsorboitunut, poistuu katalyytin pinnalta. Viimeisten tapahtumien tarkkaa luonnetta ja ajoitusta ei tarkkaan tunneta.

kuten energiakaaviossa on esitetty, alkeenien vedytys on eksotermistä ja lämpöä vapautuu vastaa diagrammin ΔE (värillinen vihreä). Tällä reaktiokuumennuksella voidaan arvioida niiden alkeenien termodynaamista stabiilisuutta, joilla on kaksoissidoksessa eri määrä alkyylisubstituentteja. Esimerkiksi seuraavassa taulukossa on lueteltu vedytyksen lämmöt kolmelle C5H10-alkeenille, joista saadaan sama alkaanituote (2-metyylibutaani). Koska suuri reaktiolämpö ilmaisee suurienergistä reaktanttia, nämä kuumenemiset ovat kääntäen verrannollisia alkeeni-isomeerien stabiilisuuteen. Karkean likiarvon perusteella näemme, että jokainen kaksoissidoksen alkyylisubstituentti stabiloi tätä funktionaalista ryhmää hieman yli 1 kcal/mooli.

tässä esitetystä mekanismista olettaisimme vedyn lisäämisen tapahtuvan syn-stereoselektiivisyydellä. Tämä pitää usein paikkansa, mutta vedytyskatalyytit voivat myös aiheuttaa kaksoissidoksen isomeroitumisen ennen vedyn additiota, jolloin stereoselektiivisyys voi olla epävarmaa.

Examples

Question

Predict the products if the following alkenes were reacted with catalytic hydrogen.

Solution