催化简介

Organic Chemistry

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Overview

资料来源: 瑞安 · 理查兹博士的实验室 — — 科罗拉多矿业学院

催化是现代技术和目前占约 35%的国内生产总值 (GDP) 和生计的大约 33%的全球人口通过 Haber 过程生产的肥料的最重要领域之一。1催化剂是通过降低活化能和影响选择性促进化学反应的系统。催化将中央在解决能源和环境挑战的现代技术。

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JoVE Science Education Database. 有机化学精要. 催化简介. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

多相催化剂通常由分散在支持材料 (通常碳或金属氧化物),增加了表面积和经常传授一些稳定性对纳米颗粒的团聚纳米催化实体 (通常是一种金属) 组成。催化剂纳米颗粒对其表面发生反应的活性位点。根据这种反应,这些活性位点可能是平面或晶体边缘颗粒的表面上。通常情况下,较小的纳米粒子具有较高的催化活性由于每摩尔的催化剂表面原子的较高数额。2

在催化剂表面反应开始与试剂对活性部位,其次是反应表面上的吸附。表面的反应可以发生一个吸附的物种与散装,称为 Eley 里迪尔的机制,一个或两个吸附物种,被称为朗缪尔-欣谢尔伍德机制之间。反应的物种然后从进入主体表面和解吸。2

支持的纳米钯粒子有许多重要的催化反应中显示活动和代表演示非均相催化剂的模型系统。钯基于催化剂研究努力宽阔,经历了从生物质分解废水中的化学染料的升级。作为一名代表为多相催化剂钯催化剂的使用是可取的因为它允许肤浅相分离的催化剂产品。2

在这里,异构催化剂组成的纳米钯颗粒分散在高比表面积碳载体上。目前,几种负载的钯催化剂市面。在这个教育的文章中,商业上可用的两个支持的钯材料使用、 1%钯活性炭和 0.5%钯在颗粒状碳上受支持。另一种材料,活性炭,作为一种控制实验。4-硝基苯酚减少选择催化反应,因为它很容易使用,结果可见通过颜色的变化。本实验的议定书提供了非常清晰的视觉演示典型的催化反应。

Procedure

1.4-硝基苯酚溶液的制备掺硼氢化钠

  1. 称量 14 毫克的 4-硝基苯酚,溶解在 10 毫升的 DI 水在玻璃小瓶。
  2. 称量 57 毫克的硼氢化钠,15 毫升的水中溶解。
  3. 混合的两种解决方案和磁力搅拌 30 分钟在室温到一个统一的解决方案。大褂,安全眼镜和手套都需要作为标准协议的保护。

2.催化剂溶液的制备

  1. 分别重 10 毫克的钯活性炭、 颗粒状碳钯。体重 10 毫克的活性炭作为对照组。
  2. 转让重到一小瓶的催化剂和添加到每个小瓶 100 毫升的水。
  3. 直到催化剂均匀应用在水中,超声波几瓶及带 10 分钟 135 W 输出功率。

3.4-硝基苯酚催化还原

  1. 衡量 1.15 毫升的准备 4-硝基苯酚和钠硼氢化解决方案,转移到 5 毫升的玻璃瓶。
  2. 在小瓶中记录溶液颜色,等待 10 分钟和记录,如果有任何的溶液颜色的变化。
  3. 小瓶活性炭催化剂溶液添加 1 毫升的制备钯,摇瓶用手 20 美国观察反应 20 分钟,记录当溶液颜色开始改变,当溶液颜色完全消失到透明。
  4. 重复同样的程序与颗粒状碳催化剂溶液对钯。
  5. 重复同样的程序,用活性炭催化剂溶液。
  6. 比较三种催化剂后 0、 5、 10、 15 和 20 分钟的反应时间之间的颜色变化。为了量化这种变化,20 分钟的反应时间间隔内测量样品的紫外-可见光谱。

催化剂是物质添加到化学系统,使化学反应发生得更快,使用更少的能源。

最低限度的启动反应所需的能量被称为激活能量。催化剂提供备用的反应路径具有较低的激活能量,允许在更少的极端条件下发生反应。

在高温,分子更快和更频繁地碰撞。由于分子碰撞的比例较高,反应物有足够的能量来克服反应的活化能。催化剂提供备用的反应机制,增加的比例较低的温度,从而减少完成反应所需的能量的碰撞。催化剂可以参加多个化学转换,然而它是不变的反应完成后,和可以回收并重复使用。

这个视频将突出显示基本的催化作用,并演示如何执行基本的催化反应,在实验室里。

有几种类型的催化剂。酶是生物分子,表现为非常具体的催化剂。酶是特定的形状和指导反应物分子,称为基质,进入反应的最优配置。均相催化剂在反应物同相。最频繁的催化剂和反应物都溶解在液相中。在多相催化的催化剂和反应物是在不同的阶段,由相边界分隔。通常,多相催化剂是坚实的包括纳米催化实体,通常,金属的纳米分散在载体材料。

支持材料、 通常碳、 硅、 或金属氧化物,用来增加表面积和传授的纳米粒子的聚集稳定性。多孔膜和珠、 网格和堆积的床单是支持几何图形在催化反应中使用的一些。

在多相催化纳米粒子具有的表面上看,发生反应的活性位点。根据这种反应,这些活性位点可能是平面或晶体边缘颗粒的表面上。通常情况下,较小的纳米粒子具有较高的催化活性,由于每摩尔的催化剂表面原子的较高数额。

在催化剂表面反应开始与试剂对活性部位,其次是反应表面上的吸附。表面的反应可以发生一个吸附的物种与散装,称为 Eley 里迪尔的机制,一个或两个吸附物种,被称为朗缪尔-欣谢尔伍德机制之间。产品然后从进入主体表面脱附。

现在,您了解催化的基本知识,让我们看看 4-硝基苯酚 4-氨基苯酚使用商业上可用的钯催化剂对地面活性炭对减少。将使用在反应过程中发生的颜色变化来衡量反应进展情况。

在开始之前的实验,一定要穿适当的个人防护装备,一件大褂、 安全护目镜和手套等。准备材料,首先权衡 14 毫克的 4-硝基苯酚和溶于 10 毫升的去离子水在玻璃小瓶,使一个 10 毫米的解决方案。接下来,重 57 毫克的硼氢化钠,溶于 15 毫升的 DI 水为了使 100 毫米的解决方案。混合两个,和搅拌室温,形成一个统一的解决方案。溶液颜色不应更改,如硼氢化钠不能充分减少 4-硝基苯酚无催化剂。作为一个对照样本重量 10 的钯活性炭和活性炭无催化剂 10 毫克。

转移到单独的玻璃小瓶,加权的催化剂和每个添加的去离子水 100 毫升。直到催化剂均匀应用在水中,超声波几瓶 135 瓦的输出功率。

现在,准备了材料,可以执行 4-硝基苯酚的催化还原。测量 1.15 毫升准备的 4-硝基苯酚及硼氢化钠溶液,并转移到 5 毫升的玻璃瓶。

观察并记录溶液颜色在小瓶中。小瓶,活性炭催化剂溶液添加 1 毫升的制备钯,摇动用手混合。

观察了 20 分钟,反应和记录当溶液颜色开始改变,然后完全消失。当所有颜色已消退时,反应是完整的。

活性炭控制解决方案重复相同的步骤。随着反应的进行,颜色变化从黄色变成无色,指示 4-硝基苯酚消费。为了量化这种变化,测量紫外吸光度的样品在 400 毫微米。

情节吸光度随时间自然的对数。吸光度下降的反应,表明 4-硝基苯酚消费,当然。控件示例表明没有催化活性。

催化剂是对种类繁多的工业和科学领域至关重要。

在钯催化剂存在下碳-碳偶联反应发生,称为 Heck 反应。Heck 反应被认为是过渡金属催化偶联反应的第一个正确机制。它是如此宝贵的现代催化理查德 · 赫克获得诺贝尔奖在化学中的他的发现。Heck 反应可以执行使用钯催化剂,在这个实验中所示。在这里,在室温下合成了催化剂。反应后,用核磁共振波谱分析或核磁共振分析产品。

在自然界中,酶是使种类繁多的生物反应的催化剂。例如,乙酸激酶是发现在微生物中一种酶促进乙酸对乙酰基磷酸的可逆转换。

紫外-可见分光光度法,用标准曲线测定酶活性。

消耗的乙酰基磷酸盐的含量进行监测整个反应,和酶动力学绘制为时间的函数。

聚合物是可以利用的催化作用的另一个领域。在这里,合成了星形聚合物粒子。

首先,该催化剂编写,并在室温下干燥。聚合物分支与催化剂,然后混合,然后添加交联剂形成的颗粒。

然后用凝胶渗透色谱法分析粒子大小。聚合物纳米粒子,如在此示例中,捏造的星型聚合物用于广泛的应用如药和自组装。

你刚看了催化的朱庇特的简介。看过这个视频,你应该了解的概念的催化作用和如何在实验室中运行一个简单的反应。

谢谢观赏 !

Results

4-硝基酚与催化剂的还原是文献中关于催化剂性能评价和测量动力学基准反应。在加入催化剂,溶液的颜色是淡黄色,对应 4-硝基苯酚离子在碱性条件下。没有加入催化剂,黄色颜色不消逝,这表明 4-硝基苯酚和硼氢化钠混合系统的稳定。

后在活性炭上的钯及钯颗粒状碳催化剂解决方案另外,4-硝基苯酚溶液的黄色颜色渐渐消散。在大约 20 分钟的时间尺度,该解决方案将成为无色,建议 4-硝基苯酚完全复位的催化剂。

活性炭的解决办法,没有催化剂,加入后 4-硝基苯酚的黄颜色保持不变在 20 分钟反应窗口内。碳仅充当载体材料的钯,所以碳本身并不能说明任何对反应的催化作用。对照组在这里表明支持碳钯纳米活性催化剂碳本身不是一种催化剂。此控制实验结果也表明 4-硝基苯酚是不是简单地由碳吸收和从解决方案中移除。

紫外-可见吸收光谱的观察表明,逐渐的减少,大约有 400 毫微米同时增加大约 300 毫微米。这种变化是减少的指示性 4-硝基苯酚的过程。4-硝基苯酚的相对浓度由相对强度的吸收在 400 毫微米。与时间的情节 ln (t/A0) 量化的方式显示反应进程。代表的情节如图 1所示。

Figure 1
图 1。吸收与时间 4-硝基苯酚还原过程中的钯催化剂对活性炭的阴谋。

对于这两种钯催化剂,其颜色改变行为和它们的光谱之间没有区别。这一结果表明钯是活跃的在无论是否支持对活性炭或颗粒状碳 4-硝基苯酚的催化还原。

Applications and Summary

作为基准的反应,纳米钯催化应用可以扩展到其他领域。类似于 4-硝基苯酚的减少,这就是 colorometric (反应观察颜色的变化)、 加氢反应的化学染料可以使用相同的协议。化学加氢过程是非常重要的许多工业的反应,以及废物处理。研究者们应用的催化剂在加氢反应中在石油化工等领域。在美国,苯生产在 2010 年第四季度达到 4151 亿 4400 万加仑,加氢工艺在那里发挥重要的作用。

钯催化剂和基本环境,C C 偶联反应发生芳/乙烯基卤化物和烯烃之间。3,4这种反应称为 Heck 反应。C C 偶联反应是对解决社会现在面临的能源挑战至关重要。言下之意是如此重要,2010年诺贝尔化学奖被授予为钯催化交叉偶联反应的工作。催化剂也用于聚合物纳米粒子的合成。在此应用中,聚合物分支与催化剂混合以诱导形成的星状颗粒。5最后,催化剂是发现广泛的性质,而且驱动器的生物反应。在这里,他们自然地存在作为形状特异的酶。6

References

  1. Armor, J. What is catalysis? North American Catalysis Society. (2008).
  2. Thomas, J.M., Thomas, W.J. Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis. Wiley-VCH. Germany (2015).
  3. Heck, R.F., Nolley, J.P. Palladium-catalyzed v Vinylic Hydrogen Substitution Reactions with Aryl, Benzyl and Styryl Halides. J. Org. Chem. 37 (14), (1972).
  4. Oberholzer, M., Frech, C. M. Mizoroki-Heck Cross-coupling Reactions Catalyzed by Dichloro{bis[1,1',1''-(phosphinetriyl)tripiperidine]}palladium Under Mild Reaction Conditions. J. Vis. Exp. (85), e51444, (2014).
  5. Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A. Particles without a Box: Brush-first Synthesis of Photodegradable PEG Star Polymers under Ambient Conditions. J. Vis. Exp. (80), e50874, (2013).
  6. Fowler, M. L., Ingram-Smith, C. J., Smith, K. S. Direct Detection of the Acetate-forming Activity of the Enzyme Acetate Kinase. J. Vis. Exp. (58), e3474, (2011).

1.4-硝基苯酚溶液的制备掺硼氢化钠

  1. 称量 14 毫克的 4-硝基苯酚,溶解在 10 毫升的 DI 水在玻璃小瓶。
  2. 称量 57 毫克的硼氢化钠,15 毫升的水中溶解。
  3. 混合的两种解决方案和磁力搅拌 30 分钟在室温到一个统一的解决方案。大褂,安全眼镜和手套都需要作为标准协议的保护。

2.催化剂溶液的制备

  1. 分别重 10 毫克的钯活性炭、 颗粒状碳钯。体重 10 毫克的活性炭作为对照组。
  2. 转让重到一小瓶的催化剂和添加到每个小瓶 100 毫升的水。
  3. 直到催化剂均匀应用在水中,超声波几瓶及带 10 分钟 135 W 输出功率。

3.4-硝基苯酚催化还原

  1. 衡量 1.15 毫升的准备 4-硝基苯酚和钠硼氢化解决方案,转移到 5 毫升的玻璃瓶。
  2. 在小瓶中记录溶液颜色,等待 10 分钟和记录,如果有任何的溶液颜色的变化。
  3. 小瓶活性炭催化剂溶液添加 1 毫升的制备钯,摇瓶用手 20 美国观察反应 20 分钟,记录当溶液颜色开始改变,当溶液颜色完全消失到透明。
  4. 重复同样的程序与颗粒状碳催化剂溶液对钯。
  5. 重复同样的程序,用活性炭催化剂溶液。
  6. 比较三种催化剂后 0、 5、 10、 15 和 20 分钟的反应时间之间的颜色变化。为了量化这种变化,20 分钟的反应时间间隔内测量样品的紫外-可见光谱。

催化剂是物质添加到化学系统,使化学反应发生得更快,使用更少的能源。

最低限度的启动反应所需的能量被称为激活能量。催化剂提供备用的反应路径具有较低的激活能量,允许在更少的极端条件下发生反应。

在高温,分子更快和更频繁地碰撞。由于分子碰撞的比例较高,反应物有足够的能量来克服反应的活化能。催化剂提供备用的反应机制,增加的比例较低的温度,从而减少完成反应所需的能量的碰撞。催化剂可以参加多个化学转换,然而它是不变的反应完成后,和可以回收并重复使用。

这个视频将突出显示基本的催化作用,并演示如何执行基本的催化反应,在实验室里。

有几种类型的催化剂。酶是生物分子,表现为非常具体的催化剂。酶是特定的形状和指导反应物分子,称为基质,进入反应的最优配置。均相催化剂在反应物同相。最频繁的催化剂和反应物都溶解在液相中。在多相催化的催化剂和反应物是在不同的阶段,由相边界分隔。通常,多相催化剂是坚实的包括纳米催化实体,通常,金属的纳米分散在载体材料。

支持材料、 通常碳、 硅、 或金属氧化物,用来增加表面积和传授的纳米粒子的聚集稳定性。多孔膜和珠、 网格和堆积的床单是支持几何图形在催化反应中使用的一些。

在多相催化纳米粒子具有的表面上看,发生反应的活性位点。根据这种反应,这些活性位点可能是平面或晶体边缘颗粒的表面上。通常情况下,较小的纳米粒子具有较高的催化活性,由于每摩尔的催化剂表面原子的较高数额。

在催化剂表面反应开始与试剂对活性部位,其次是反应表面上的吸附。表面的反应可以发生一个吸附的物种与散装,称为 Eley 里迪尔的机制,一个或两个吸附物种,被称为朗缪尔-欣谢尔伍德机制之间。产品然后从进入主体表面脱附。

现在,您了解催化的基本知识,让我们看看 4-硝基苯酚 4-氨基苯酚使用商业上可用的钯催化剂对地面活性炭对减少。将使用在反应过程中发生的颜色变化来衡量反应进展情况。

在开始之前的实验,一定要穿适当的个人防护装备,一件大褂、 安全护目镜和手套等。准备材料,首先权衡 14 毫克的 4-硝基苯酚和溶于 10 毫升的去离子水在玻璃小瓶,使一个 10 毫米的解决方案。接下来,重 57 毫克的硼氢化钠,溶于 15 毫升的 DI 水为了使 100 毫米的解决方案。混合两个,和搅拌室温,形成一个统一的解决方案。溶液颜色不应更改,如硼氢化钠不能充分减少 4-硝基苯酚无催化剂。作为一个对照样本重量 10 的钯活性炭和活性炭无催化剂 10 毫克。

转移到单独的玻璃小瓶,加权的催化剂和每个添加的去离子水 100 毫升。直到催化剂均匀应用在水中,超声波几瓶 135 瓦的输出功率。

现在,准备了材料,可以执行 4-硝基苯酚的催化还原。测量 1.15 毫升准备的 4-硝基苯酚及硼氢化钠溶液,并转移到 5 毫升的玻璃瓶。

观察并记录溶液颜色在小瓶中。小瓶,活性炭催化剂溶液添加 1 毫升的制备钯,摇动用手混合。

观察了 20 分钟,反应和记录当溶液颜色开始改变,然后完全消失。当所有颜色已消退时,反应是完整的。

活性炭控制解决方案重复相同的步骤。随着反应的进行,颜色变化从黄色变成无色,指示 4-硝基苯酚消费。为了量化这种变化,测量紫外吸光度的样品在 400 毫微米。

情节吸光度随时间自然的对数。吸光度下降的反应,表明 4-硝基苯酚消费,当然。控件示例表明没有催化活性。

催化剂是对种类繁多的工业和科学领域至关重要。

在钯催化剂存在下碳-碳偶联反应发生,称为 Heck 反应。Heck 反应被认为是过渡金属催化偶联反应的第一个正确机制。它是如此宝贵的现代催化理查德 · 赫克获得诺贝尔奖在化学中的他的发现。Heck 反应可以执行使用钯催化剂,在这个实验中所示。在这里,在室温下合成了催化剂。反应后,用核磁共振波谱分析或核磁共振分析产品。

在自然界中,酶是使种类繁多的生物反应的催化剂。例如,乙酸激酶是发现在微生物中一种酶促进乙酸对乙酰基磷酸的可逆转换。

紫外-可见分光光度法,用标准曲线测定酶活性。

消耗的乙酰基磷酸盐的含量进行监测整个反应,和酶动力学绘制为时间的函数。

聚合物是可以利用的催化作用的另一个领域。在这里,合成了星形聚合物粒子。

首先,该催化剂编写,并在室温下干燥。聚合物分支与催化剂,然后混合,然后添加交联剂形成的颗粒。

然后用凝胶渗透色谱法分析粒子大小。聚合物纳米粒子,如在此示例中,捏造的星型聚合物用于广泛的应用如药和自组装。

你刚看了催化的朱庇特的简介。看过这个视频,你应该了解的概念的催化作用和如何在实验室中运行一个简单的反应。

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