3. Электронная теория (с.З. Рогинский)
(по желанию, взяла это с учебника)
В основе теории лежит представление о том, что катализатор имеет свободные или слабосвязанные электроны.
Такими электронами обеспечиваются свободные валентности на поверхности катализатора, за счет которых адсорбируются молекулы реагирующих в-в с образование свободных атомов и радикалов.
При взаимодействии свободных атомов и радикалов образуются продукты реакции.
Например:
Затруднено осуществление реакции H2 + O2 = H2O из-за насыщенности связей реагирующих в-в
Но на платиновом катализаторе свободные электроны переходят к молекуле кислорода, образуя ионы кислорода (2O-)
На положительно заряженной платине адсорбируются молекула водорода, отдавая ей электроны и превращается в катионы (2H+)
Ионы водорода и кислорода взаимодействуют между собой и образуют воду
Кислотно-основный катализ
Кислотно-основный катализ – ускорение реакций кислотами и основаниями.
Такая способность кислот и оснований – один из признаков характеризующих этот класс химических соединений.
Классическая теория кислотно-основного катализа приписывала каталитическое действие исключительно иона водорода и гидроксила. Позднее было установлено, что реакции катализируются также недиссоциированными молекулами кислот и оснований и различными другими ионами, например ионом NH4+.
Теория общего кислотно-основного катализа является составной частью теории кислот и оснований Бренстеда-Лоури:
Кислота – донор протона
Основание – акцептор протона
Кислотами и основаниями могут быть электронейтральные молекулы, катионы и анионы с различным зарядом.
Кислотно-основное взаимодействие в средах с высокой диэлектричской проницаемостью состоит в передаче протона от кислоты HA к основанию B с образованием новой пары – кислоты BH+ и основания A- :
HA + B ↔ BH+ + A⁻
Кислотно-основный катализ обусловлен протолитической реакцией между субстратом, выступающим в роли слабой кислоты или слабого основания, и катализатором, которым могут быть соединения, удовлетворяющие определению кислот и оснований по Бренстеду.
Протолитическая реакция (присоединение или отщепление протона), как стадия каталитичского процесса, приводит к перераспределению электронов в молекуле субстрата и тем самым к образованию промежуточных соединений с повышенной реакционной способностью (карбкатионы, полярные комплексы). Эта стадия реакции обусловливает снижение энергии активации и ускорение процесса в целом.
С излагаемой точки зрения кислотно-основный катализ обязательно включает стадию переноса протона из одного места молекулы в другое и поэтому требует присутствия как доноров, так и акцепторов протонов, что отвечает следующей схеме:
Кислотный катализ |
Основный катализ |
HX + HA ⇄ HXH+ + A⁻ HXH+ + B ⇄ XH + BH+ A⁻ + BH+ ⇄ HA + B |
HX + B ⇄ BH+ + X⁻ X- + HA ⇄ XH + A⁻ A⁻ + BH+ ⇄ HA + B |
Где HX – субстрат; XH – продукт реакции; HA – кислота; B – основание
Пример кислотного катализа: кето-енольная таутомерия, определяющая протекание реакции йодирования ацетона.
В результате протолитической реакции кетон переходит в енольную форму:
Енольная форма легко реагирует с йодом:
Пример основного катализа: можно проиллюстрировать реакцией альдольной конденсации альдегидов и кетонов:
⁻
HA – кислота;
A⁻ - основание, сопряженное с кислотой HA;
B – основание;
BH⁺ - кислота, сопряженная с основанием B.
Конкретный пример кислотного катализа: получение сложного эфира
Реакции кислотно-основного катализа протекают не только в растворах, но также на поверхности твердых катализаторов, обладающих свойствами кислот и оснований
Перенос протона от кислоты к основанию, является частным случаем донорно-акцепторного взаимодействия общего типа, т.е. образования координационной связи между акцепторами и донорами электронных пар и гетеролитического расщепления таких связей.