触媒入門

Organic Chemistry

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Overview

ソース: 研究室博士ライアン ・ リチャーズ-コロラド スクール オブ マインズ

触媒は、近代的な技術と現在の国内総生産 (GDP) の約 35%、肥料生産 Haber プロセス経由で世界の人口の約 33% の糧アカウントの最も重要な分野の一つです。1触媒は、活性化エネルギーを下げることと、選択性に影響を及ぼす化学反応を促進するシステムです。触媒作用は、エネルギーと現代の環境問題への取り組みの中心技術になります。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 有機化学の必需品 . 触媒入門. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

通常、不均一系触媒は表面積を増加し、ナノ粒子の凝集に対するいくつかの安定性を与える多くの場合支持材 (通常カーボンや金属酸化物) 上に分散したナノ触媒エンティティ (通常は金属) で構成されます。触媒ナノ粒子反応が起こる、その表面に活性部位があります。反応によって、これらのアクティブなサイトは平坦な面または粒子の表面に結晶エッジかもしれません。通常より小さいナノ粒子触媒のモルあたり原子の表面のより高い量のため高い触媒活性があります。2

触媒表面での反応は、表面上の反応に続いて、アクティブ サイトに試薬の吸着によって始まります。表面反応は 1 つの吸着種と捻ってリディール機構と呼ばれる一括で 1 つまたはラングミュア ヒンシュルウッド機構と呼ばれる 2 つの吸着種間に発生します。反応種は、大部分に表面から、ムレない。2

サポートされているナノ パラジウム粒子は多くの重要な触媒反応の活性を示しているし、不均一触媒反応を示すためのモデル システムを表します。パラジウムは触媒の研究努力は、広いと排水のストリームで化学染料の分解にバイオマスのアップグレードから遠隔している基づいています。それは製品から触媒の分離を可能にするため、不均一系触媒の代表としてパラジウム触媒の使用が望ましい。2

ここでは、異種触媒は高表面積カーボン担体上に分散したナノ パラジウム粒子で構成されます。現在、市販されているいくつかのサポートされているパラジウム触媒。この教育の記事で 2 つの市販はパラジウム材料を使用、1% パラジウム活性炭でサポートされて、0.5% パラジウム炭素粉でサポートをサポートしました。別の材料、活性炭は、対照実験として使用されます。4-ニトロフェノールの削減で動作するように簡単だし、結果は色の変化で表示されますので、触媒反応として選ばれます。この実験的なプロトコルは、典型的な触媒反応の非常に明確な視覚的なデモを提供します。

Procedure

1 水素化ホウ素ナトリウムと混合 4-ニトロフェノール溶液の調製

  1. 4-ニトロフェノールの 14 mg の重量を量るし、ガラス瓶の DI 水 10 mL に溶かします。
  2. 水素化ホウ素ナトリウム 57 mg の重量を量る、DI 水 15 mL で溶解します。
  3. 2 つのソリューションと均一溶液を室温で 30 分間電磁攪拌を混ぜます。白衣、安全ゴーグル、手袋は標準プロトコルの保護として必要があります。

2. 触媒溶液の調製

  1. アクティブ カーボン パラジウム、パラジウム炭素粉の 10 mg のそれぞれ重量を量る。対照群として活性炭の 10 mg の重量を量る。
  2. 転送はバイアルへの触媒の重量を量った、DI 水 100 mL を各バイアルに追加します。
  3. 触媒は、水中に分散よくまでの 10 分の 135 W の出力電力がバイアルの超音波照射します。

3. 4-ニトロフェノールの還元

  1. 測定準備 4-ニトロフェノール ・ ナトリウム水素化ホウ素溶液 1.15 mL、5 mL バイアルに転送。
  2. 溶液の色の変化がある場合、10 分とレコードを待つ、バイアルにソリューションの色を記録します。
  3. 活性炭触媒溶液をバイアルに準備されたパラジウムの 1 mL を追加、20 分の 20 の s. 観察反応のバイアルを手で振る、ソリューション色が変更を開始したときと、ソリューションの色が完全に透明にフェードを記録します。
  4. 粒状炭素触媒溶液にパラジウムと同じ手順を繰り返します。
  5. 活性炭触媒溶液と同じ手順を繰り返します。
  6. 3 触媒の 0、5、10、15、および反応時間の 20 分後の色の変化を比較します。この変更を定量化するには、20 分反応間隔中にサンプルの紫外-可視スペクトルを測定します。

触媒より少ないエネルギーを使用して、速く発生する化学反応を有効にする化学システムに追加される物質です。

最小反応を開始するために必要なエネルギー量を活性化エネルギーといいます。触媒は、以下の極端な条件下で起こる反応を許可する低い活性化エネルギーと別の反応経路を提供します。

高温で分子は高速移動しより頻繁に衝突します。分子衝突の割合が高いので反応は反応の活性化エネルギーを克服するために十分なエネルギーをあります。触媒は反応に必要なエネルギーの量を減少させる、低温で衝突の割合を増加させる代替反応機構を提供します。触媒は、しかし、それは反応の完了時に変更することができます、リサイクルするおよび再複数の化学変換に参加できます。

このビデオは触媒作用の基本を強調表示し、研究室では、基本的な触媒反応を実行する方法を示します。

触媒のいくつかの種類があります。酵素は、生体分子の非常に特定の触媒として扱うことです。酵素特定、図形、ガイド分子、反応の最適構成に基板と呼ばれます。均一系金属触媒は、反応として同じ段階に。最も頻繁に、触媒と反応は、両方液相に溶解します。異質触媒作用の触媒と反応は、さまざまな段階段階の境界で区切られました。一般的には、不均一系触媒は、固体とナノスケール触媒エンティティ、通常金属ナノ、サポート材料の分散で構成されます。

サポート材料、通常カーボン、石英、または金属酸化物は、表面積を増やすし、ナノ粒子の凝集に対する安定性を与えるためです。多孔質膜とビーズ、メッシュ、および積層シートは、触媒の使用サポート ジオメトリの一部です。

固体触媒、ナノ粒子では、反応が起こる、表面にアクティブなサイトがあります。反応によって、これらのアクティブなサイトは平坦な面または粒子の表面に結晶エッジかもしれません。通常より小さいナノ粒子触媒のモルあたり原子の表面のより高い量のためのより高い触媒活性があります。

触媒表面での反応は、表面上の反応に続いて、アクティブ サイトに試薬の吸着によって始まります。表面反応は 1 つの吸着種と捻ってリディール機構と呼ばれる一括で 1 つまたはラングミュア ヒンシュルウッド機構と呼ばれる 2 つの吸着種間に発生します。製品は、大部分に表面から脱着します。

今では触媒の基本を理解すると、4-アミノフェノール地面活性炭市販パラジウム触媒を使用する 4-ニトロフェノールの削減を見てみましょう。反応の進行は、反応時に発生する色の変更を使用して測定されます。

実験を開始する前に必ず、白衣、安全メガネおよび手袋などの適切な個人用保護具を着用してください。材料を準備するには、最初 4-ニトロフェノールの 14 mg の重量を量るし、10 mM のソリューションを作成するガラス瓶の脱イオン水 10 mL に溶かします。次に、水素化ホウ素ナトリウム 57 mg の重量を量るし、100 ミリメートルのソリューションを作るために DI 水 15 mL に溶かします。2 つを混合し、均一溶液を形成する室温で攪拌します。水素化ホウ素ナトリウム、触媒なし 4-ニトロフェノールを減らすことはできません完全に、ソリューションの色は変更しないでください。コントロールのサンプルとしてパラジウム活性炭の 10 mg と 10 mg の活性炭触媒なしの重量を量る。

別のバイアルに重量を量られた触媒を転送し、それぞれ 100 mL の脱イオン水を追加します。触媒は、水中に分散よくまでの 135 ワットの出力を持つバイアルの超音波照射します。

今では材料の準備が 4-ニトロフェノールの接触還元を実行できます。1.15 mL 準備 4-ニトロフェノール ・ ナトリウム水素化ホウ素溶液を測定し、5 mL バイアルに転送。

観察し、バイアルにソリューションの色を記録します。バイアルに活性炭触媒溶液に準備されたパラジウムの 1 mL を追加し、ミックスに手を振る。

20 分間反応を観察し、ソリューション色の変更開始時と、完全にフェードを記録します。すべての色が薄れている反応は完了です。

アクティブ カーボン制御ソリューションのためには、同じ手順を繰り返します。反応の進行により、4-ニトロフェノールの消費量を示す無色透明、黄色から色変更。この変更を定量化する測定紫外可視吸光度 400 サンプルの nm。

時間に対する吸光度の自然対数をプロットします。4-ニトロフェノールの消費量を示す反応の過程で吸光度が低下します。コントロールのサンプルは、触媒活性を示さなかった。

触媒は、幅広い産業分野や科学分野において重要なことです。

パラジウム触媒存在下で炭素-炭素カップリング反応が発生、ヘック反応として知られています。ヘック反応は、遷移金属触媒によるカップリング反応の最初の正しいメカニズムとみなされます。現代触媒リチャード ・ ヘックでは化学でのノーベル賞を受け取った彼の発見のためにはとても貴重です。ヘック反応は、この実験のようにパラジウム触媒を使用して実行できます。ここでは、触媒は室温で合成されました。反応後製品を核磁気共鳴分光法や核磁気共鳴を使用して行った。

自然の中で酵素が生体反応の広い範囲を可能にする触媒です。たとえば、酢酸キナーゼはアセチルリン酸を酢酸の可逆の変換を容易にする微生物の酵素であります。

酵素活性は、標準的な曲線で紫外可視吸光光度法を用いて測定しました。

アセチルリン酸消費量は、反応全体の監視し、酵素反応速度論は、時間の関数としてプロットされます。

ポリマーは、触媒の利点を取ることができる別のフィールドです。ここでは、星型ポリマー粒子を合成しました。

まず、触媒を作成し、室温で乾燥します。触媒と高分子枝、混合し、架橋剤の粒子を形成する追加されました。

粒子サイズ、ゲル浸透クロマトグラフィーを使用して行った。この例では、作製した星のポリマーのような高分子のナノ粒子は、薬物送達など自己のアプリケーションの広い範囲に使用されます。

ゼウスの触媒入門を見てきただけ。このビデオを見た後は、触媒の発見と研究室で簡単な反応を実行する方法の概念を理解する必要があります。

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Results

4-ニトロフェノール触媒との削減は、触媒性能を評価および動態を測定するための文献のベンチマークの反応です。触媒添加する前にソリューションの色は薄い黄色、アルカリ性条件で 4-ニトロフェノール イオンに相当します。触媒添加せず、黄色の色が消えていません、これは 4-ニトロフェノール ・ ナトリウム水素化ホウ素の混合系が安定していることを示します。

パラジウム活性炭と粒状炭素触媒ソリューションにパラジウムの添加後 4-ニトロフェノール溶液の黄色の色は徐々 にフェードアウトします。約 20 分の時間規模でソリューションは無色、触媒によって 4-ニトロフェノールの完全な減少を示唆になります。

4-ニトロフェノールの黄色の色は変わらないない触媒、活性炭溶液添加後 20 分反応ウィンドウ内で。それ自体で炭素は反応の触媒作用を示しません炭素パラジウムのサポート素材としてのみ機能します。コントロール グループをここでは、ナノスケール パラジウム微粒子炭素担はカーボン自体が触媒ではない触媒活性を示しています。この制御の実験はまた 4-ニトロフェノールが単に炭素で吸収され、ソリューションから削除することを示しています。

紫外可視吸収スペクトルの測定を示します漸減約 400 約 300 でつつ nm nm。この変更は、プロセス中に 4-ニトロフェノールの減少を表しています。4-ニトロフェノールの相対濃度が 400 で吸収の相対強度で表される nm。対時間のプロット ln (t/A0) は、定量化された方法で反応の進行を示しています。代表的なプロットを図 1に示します。

Figure 1
図 1。アクティブな炭素パラジウム触媒による 4-ニトロフェノールの還元時間対吸収のプロット。

パラジウム触媒が使用される両方、その色変更動作とそのスペクトルの違いはありません。この結果は、パラジウムは触媒活性炭や粒状のカーボンではサポートされているかどうかに関係なく 4-ニトロフェノールの中を示します。

Applications and Summary

ベンチマークの反作用としてパラジウムのナノ粒子の触媒のアプリケーションは他のフィールドを拡張できます。(反応は色の変化として観察される) colorometric である 4-ニトロフェノールの削減と同様に、同じプロトコルで化学染料の水素化を行うことができます。化学的水素化プロセスは廃棄物と同様、多くの産業の反作用で非常に重要です。研究者は、石油化学などの分野で、水素化反応の触媒のアプリケーションを発見しました。アメリカ合衆国では、ベンゼン生産は、水素化プロセスが重要な役割を果たした 2010 年の第 4 四半期中に 4151 億 4400 万ガロンを達した。

パラジウム触媒と基本的な環境の存在下でハロゲン化アリール/ビニールとアルケンの炭素-炭素カップリング反応が発生します。3, 4この反応、ヘック反応と呼ばれます。炭素-炭素カップリング反応、今社会が直面するエネルギーの課題を解決するため重要です。含意は、パラジウム触媒クロス カップリング反応の仕事のため 2010年ノーベル化学賞が授与されたことが重要です。触媒は、高分子ナノ粒子の合成にも使用されます。このアプリケーションでは星の粒子の形成を誘導するために触媒と高分子枝を混在しています。5最後に、触媒で発見されます広く自然と生物学的反応を駆動。ここでは、彼らは自然形特定酵素として存在します。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 水素化ホウ素ナトリウムと混合 4-ニトロフェノール溶液の調製

  1. 4-ニトロフェノールの 14 mg の重量を量るし、ガラス瓶の DI 水 10 mL に溶かします。
  2. 水素化ホウ素ナトリウム 57 mg の重量を量る、DI 水 15 mL で溶解します。
  3. 2 つのソリューションと均一溶液を室温で 30 分間電磁攪拌を混ぜます。白衣、安全ゴーグル、手袋は標準プロトコルの保護として必要があります。

2. 触媒溶液の調製

  1. アクティブ カーボン パラジウム、パラジウム炭素粉の 10 mg のそれぞれ重量を量る。対照群として活性炭の 10 mg の重量を量る。
  2. 転送はバイアルへの触媒の重量を量った、DI 水 100 mL を各バイアルに追加します。
  3. 触媒は、水中に分散よくまでの 10 分の 135 W の出力電力がバイアルの超音波照射します。

3. 4-ニトロフェノールの還元

  1. 測定準備 4-ニトロフェノール ・ ナトリウム水素化ホウ素溶液 1.15 mL、5 mL バイアルに転送。
  2. 溶液の色の変化がある場合、10 分とレコードを待つ、バイアルにソリューションの色を記録します。
  3. 活性炭触媒溶液をバイアルに準備されたパラジウムの 1 mL を追加、20 分の 20 の s. 観察反応のバイアルを手で振る、ソリューション色が変更を開始したときと、ソリューションの色が完全に透明にフェードを記録します。
  4. 粒状炭素触媒溶液にパラジウムと同じ手順を繰り返します。
  5. 活性炭触媒溶液と同じ手順を繰り返します。
  6. 3 触媒の 0、5、10、15、および反応時間の 20 分後の色の変化を比較します。この変更を定量化するには、20 分反応間隔中にサンプルの紫外-可視スペクトルを測定します。

触媒より少ないエネルギーを使用して、速く発生する化学反応を有効にする化学システムに追加される物質です。

最小反応を開始するために必要なエネルギー量を活性化エネルギーといいます。触媒は、以下の極端な条件下で起こる反応を許可する低い活性化エネルギーと別の反応経路を提供します。

高温で分子は高速移動しより頻繁に衝突します。分子衝突の割合が高いので反応は反応の活性化エネルギーを克服するために十分なエネルギーをあります。触媒は反応に必要なエネルギーの量を減少させる、低温で衝突の割合を増加させる代替反応機構を提供します。触媒は、しかし、それは反応の完了時に変更することができます、リサイクルするおよび再複数の化学変換に参加できます。

このビデオは触媒作用の基本を強調表示し、研究室では、基本的な触媒反応を実行する方法を示します。

触媒のいくつかの種類があります。酵素は、生体分子の非常に特定の触媒として扱うことです。酵素特定、図形、ガイド分子、反応の最適構成に基板と呼ばれます。均一系金属触媒は、反応として同じ段階に。最も頻繁に、触媒と反応は、両方液相に溶解します。異質触媒作用の触媒と反応は、さまざまな段階段階の境界で区切られました。一般的には、不均一系触媒は、固体とナノスケール触媒エンティティ、通常金属ナノ、サポート材料の分散で構成されます。

サポート材料、通常カーボン、石英、または金属酸化物は、表面積を増やすし、ナノ粒子の凝集に対する安定性を与えるためです。多孔質膜とビーズ、メッシュ、および積層シートは、触媒の使用サポート ジオメトリの一部です。

固体触媒、ナノ粒子では、反応が起こる、表面にアクティブなサイトがあります。反応によって、これらのアクティブなサイトは平坦な面または粒子の表面に結晶エッジかもしれません。通常より小さいナノ粒子触媒のモルあたり原子の表面のより高い量のためのより高い触媒活性があります。

触媒表面での反応は、表面上の反応に続いて、アクティブ サイトに試薬の吸着によって始まります。表面反応は 1 つの吸着種と捻ってリディール機構と呼ばれる一括で 1 つまたはラングミュア ヒンシュルウッド機構と呼ばれる 2 つの吸着種間に発生します。製品は、大部分に表面から脱着します。

今では触媒の基本を理解すると、4-アミノフェノール地面活性炭市販パラジウム触媒を使用する 4-ニトロフェノールの削減を見てみましょう。反応の進行は、反応時に発生する色の変更を使用して測定されます。

実験を開始する前に必ず、白衣、安全メガネおよび手袋などの適切な個人用保護具を着用してください。材料を準備するには、最初 4-ニトロフェノールの 14 mg の重量を量るし、10 mM のソリューションを作成するガラス瓶の脱イオン水 10 mL に溶かします。次に、水素化ホウ素ナトリウム 57 mg の重量を量るし、100 ミリメートルのソリューションを作るために DI 水 15 mL に溶かします。2 つを混合し、均一溶液を形成する室温で攪拌します。水素化ホウ素ナトリウム、触媒なし 4-ニトロフェノールを減らすことはできません完全に、ソリューションの色は変更しないでください。コントロールのサンプルとしてパラジウム活性炭の 10 mg と 10 mg の活性炭触媒なしの重量を量る。

別のバイアルに重量を量られた触媒を転送し、それぞれ 100 mL の脱イオン水を追加します。触媒は、水中に分散よくまでの 135 ワットの出力を持つバイアルの超音波照射します。

今では材料の準備が 4-ニトロフェノールの接触還元を実行できます。1.15 mL 準備 4-ニトロフェノール ・ ナトリウム水素化ホウ素溶液を測定し、5 mL バイアルに転送。

観察し、バイアルにソリューションの色を記録します。バイアルに活性炭触媒溶液に準備されたパラジウムの 1 mL を追加し、ミックスに手を振る。

20 分間反応を観察し、ソリューション色の変更開始時と、完全にフェードを記録します。すべての色が薄れている反応は完了です。

アクティブ カーボン制御ソリューションのためには、同じ手順を繰り返します。反応の進行により、4-ニトロフェノールの消費量を示す無色透明、黄色から色変更。この変更を定量化する測定紫外可視吸光度 400 サンプルの nm。

時間に対する吸光度の自然対数をプロットします。4-ニトロフェノールの消費量を示す反応の過程で吸光度が低下します。コントロールのサンプルは、触媒活性を示さなかった。

触媒は、幅広い産業分野や科学分野において重要なことです。

パラジウム触媒存在下で炭素-炭素カップリング反応が発生、ヘック反応として知られています。ヘック反応は、遷移金属触媒によるカップリング反応の最初の正しいメカニズムとみなされます。現代触媒リチャード ・ ヘックでは化学でのノーベル賞を受け取った彼の発見のためにはとても貴重です。ヘック反応は、この実験のようにパラジウム触媒を使用して実行できます。ここでは、触媒は室温で合成されました。反応後製品を核磁気共鳴分光法や核磁気共鳴を使用して行った。

自然の中で酵素が生体反応の広い範囲を可能にする触媒です。たとえば、酢酸キナーゼはアセチルリン酸を酢酸の可逆の変換を容易にする微生物の酵素であります。

酵素活性は、標準的な曲線で紫外可視吸光光度法を用いて測定しました。

アセチルリン酸消費量は、反応全体の監視し、酵素反応速度論は、時間の関数としてプロットされます。

ポリマーは、触媒の利点を取ることができる別のフィールドです。ここでは、星型ポリマー粒子を合成しました。

まず、触媒を作成し、室温で乾燥します。触媒と高分子枝、混合し、架橋剤の粒子を形成する追加されました。

粒子サイズ、ゲル浸透クロマトグラフィーを使用して行った。この例では、作製した星のポリマーのような高分子のナノ粒子は、薬物送達など自己のアプリケーションの広い範囲に使用されます。

ゼウスの触媒入門を見てきただけ。このビデオを見た後は、触媒の発見と研究室で簡単な反応を実行する方法の概念を理解する必要があります。

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