Co je katalyzátor a jak ovlivňuje chemickou reakci?

V roce 2003 se americkým vědcům podařilo provést cross-coupling reakci bez obvyklých katalyzátorů. Vazba mezi atomy uhlíku vznikla při reakci organického halogenidu s kyselinou boronovou, i když chemici při reakci nepoužili potřebné palladiové soli a komplexy. Vědci byli tak překvapeni, že zakoupili nové sklo a zorganizovali „karanténu“ pro jednoho ze zaměstnanců laboratoře: aby si nikdo náhodně nepřinesl katalyzátor na kabát, pouze on pracoval s reakcí a nebylo možné zavést přechodný kov. soli do pracovního prostoru, které by mohly kontaminovat výchozí činidla. Ale reakce přesto přišla. Pouhé dva roky po zveřejnění článku o „nekatalytickém“ cross-couplingu titíž chemici zjistili, že v jejich reakci stále existuje katalyzátor. Jedno z činidel obsahovalo příměs palladia – tak malou, že ji vědci zpočátku nebyli schopni detekovat.

A přestože byla senzace zrušena, nikdo původní článek z publikace neodstranil. Pro katalytickou chemii takové případy, ne-li normou, rozhodně nejsou neobvyklé. Dokonce i časopisy na vysoké úrovni někdy publikují články s nereprodukovatelnými reakcemi. Spolehlivě se ví, že v systému je katalyzátor, ale o jakou látku jde a odkud se vzala, není jasné (o tom, jak takové problémy ničí životy psychologů a onkologických biologů, jsme psali v materiálech „To se nestává někdy“ a „Pes sežral protokol“ ).

Urychlení reakce

Katalyzátory jsou chemické sloučeniny, které urychlují reakce, ale nespotřebovávají se v nich. Chemici zjistili, že takové látky existují náhodou. Jednu z prvních katalytických reakcí provedl Sir Humphry Davy v roce 1817. Zkoumal hořlavost uhlovodíků a v jednom ze svých pokusů se rozhodl použít platinový drát, který byl odolný vůči vysokým teplotám, jako teplonosné činidlo.

Davy naplnil reakční nádobu s platinovým drátem směsí vzduchu a uhlovodíků a zapálil ji. Jakmile se směs vznítila, vědec do ní přidal další uhlovodíky, aby zkontroloval, zda teplo nahromaděné v reakční směsi stačí k pokračování reakce. Pálení pokračovalo, jak očekával.

Ale po pár sekundách chemik zjistil, že se platinový drát zahřál a začal jasně zářit. Navíc i přes nedostatek kyslíku spalování pokračovalo několik minut i bez přívodu tepla.

Pokud nádobu nejprve naplnil směsí vzduchu a uhlovodíků a pak do ní zavedl rozžhavený drát, pak se na jeho povrchu neobjevil plamen, ale prudce vzrostla teplota drátu. Z toho Davy usoudil, že reakce probíhá na povrchu drátu, což znamená, že právě platina výrazně urychluje oxidaci. Tak byl zcela náhodou objeven jeden z prvních katalyzátorů – a katalytické reakce obecně.

Během posledních dvou století se nám podařilo docela dobře pochopit, jak látky, které nejsou potřeba v chemické reakci, ji mohou urychlit. Katalyzátor zavádí nové mezistupně do obvyklého sledu chemických přeměn. Například v Suzuki cross-coupling se palladiový katalyzátor nejprve naváže na vazbu uhlík-halogen v halogenidu, poté reaguje s kyselinou boronovou za pomoci báze a poté se vrátí do svého původního stavu s cross-couplingem. produkt odštěpovaný z palladia. Kde funguje katalýza, když se činidla setkají, stanou se něčím jiným ne v jednom kroku, ale v několika fázích, přičemž se jim podařilo navštívit ne jednu, ale několik přechodové stavy. V přechodovém stavu energie dosáhne vrcholu – tato bariéra musí být přeskočena, aby reakce proběhla. Pokud ho reagencie nemají dostatek, nebudou spolu reagovat.

Katalyzátor reaguje s výchozími materiály a mění se na meziprodukty. Pokud je zvolen správně, energetické bariéry mezi meziprodukty jsou nižší než u nekatalytického procesu a reakce probíhá rychleji. Stává se, že samotná energetická bariéra je velmi vysoká a látky spolu normálně vůbec nereagují, ale v přítomnosti katalyzátoru k reakci dojde během několika minut. Navíc, v závislosti na katalyzátoru, lze získat různé produkty ze stejných výchozích materiálů – jednoduše proto, že každý katalyzátor má svůj vlastní vliv na přechodové stavy různých reakcí. Například lze polymer získat ze směsi dvou alkenů za použití katalyzátoru Ziegler-Natta (chlorid titaničitý smíchaný s triethylaluminiem) a produkt metatézní reakce lze získat pomocí Grubbsova katalyzátoru (komplex ruthenium karbene).

Samotný katalyzátor se po vykonání své práce vrátí do původního stavu. Proto i minimální množství palladia, které bylo zahrnuto do experimentu amerických chemiků, znovu a znovu spouštělo cross-coupling reakci. Katalyzátory však často samy procházejí nevratnými vedlejšími chemickými přeměnami – s produkty, stopami vody a vzduchu, stěnami nádobí, dokonce i se sebou samými. Kvůli tomu ztrácejí aktivitu a v praxi se většina katalyzátorů stále spotřebovává – jednoduše se po dokončení reakce neoddělí od finální směsi.

Částicový koktejl

Chemici přišli na to, jak katalyzátory fungují v reakcích, které bez nich jdou špatně nebo jsou špatným směrem. Velmi podrobně jsou popsány například mechanismy pro katalýzu hydrogenace dvojné vazby nebo reakcí cross-coupling. Ale přijít s látkou na míru, která urychlí reakci, kterou potřebujeme, se ukázalo být složitější. Doposud se neobjevila žádná univerzální metoda pro toto vyhledávání. Pro usnadnění hledání se začaly systematizovat katalyzátory.

Od dob Davyho byli rozděleni na homogenní (pokud jsou katalyzátor a reaktanty ve stejné fázi) a heterogenní (pokud jsou katalyzátor a činidla v různých fázích). Bylo jasné, že mechanismus jejich práce je jiný. Ale v kapalném prostředí není určení typu katalýzy vždy tak jednoduché jako v případě spalování uhlovodíků na povrchu platinového drátu.

V roce 1918 němečtí chemici navrhli k tomu použít rtuť. Vědci si všimli, že tento kov zpomaluje heterogenní reakce. Pokud tedy po přidání kapky rtuti do reakční nádoby rychlost reakce výrazně poklesla (protože rtuť vázala všechny kovové částice), byl proces nazýván heterogenním.

O půl století později vědci podrobně popsali strukturu homogenní katalytické reakce – a přesvědčili se, že rozpustné a nerozpustné katalyzátory skutečně fungují odlišně, což znamená, že k popisu těchto procesů jsou potřeba různé modely. V prvním případě jsou katalytické částice v roztoku a reakce se účastní jednotlivé molekuly. Ve druhém představují samostatnou fázi, na jejímž povrchu probíhá reakce. A vědci si mysleli, že když přijdou na to, jaké jsou principy těchto dvou procesů, bude jasné, jak hledat nové katalyzátory.

Ale další výzkum této problematiky vedl zatím jen k tomu, že se v katalytické chemii od rtuťového testu upouští. V roce 2018 se ukázalo, že rtuť může reagovat i s rozpustnými komplexy palladia, a tak narušovat nejen heterogenní, ale i homogenní katalýzu.

Čím déle chemici studovali katalytické procesy, tím bylo jasnější, že nejen že testy nefungovaly, ale ani samotný přístup k systematizaci reakcí nebyl zcela správný. Například v roce 2020 se ukázalo, že mnoho reakcí katalyzovaných komplexy palladium-karbenu zahrnuje nejen rozpustné katalytické komplexy, ale také nerozpustné kovové nanočástice a klastry, které vznikají po rozkladu těchto komplexů. To znamená, že katalýza je zde jak homogenní, tak heterogenní.

Takové koktejly směsi rozpustných a nerozpustných katalyzátorů nejsou neobvyklé. Je nesmírně obtížné popsat vnitřně různorodé systémy: musíte provést tucet experimentů, abyste pochopili, které z nerozpustných částic se podílejí na katalýze. A často je zcela nemožné předpovědět reaktivitu nového kandidátního katalyzátoru: není jasné, jak stabilní bude za reakčních podmínek a jaké nerozpustné částice se získají během rozkladu.

Takže chemici to už dvě století přehánějí. A to vyžaduje čas: vědci například hledali katalyzátor pro výrobu metanolu z oxidu uhličitého už 30 let bez úspěchu. Stejné problémy existují při hledání katalyzátorů pro redukci oxidu uhličitého na uhlovodíky nebo při syntéze peroxidu vodíku z vodíku a kyslíku. A trvá to tak dlouho, ne proto, že by chemici měli důležitější věci na práci – průmysl tyto katalyzátory potřebuje obzvláště špatně (více o tom v našem rozhovoru s chemikem Grahamem Hutchingsem).

A po zrušení rtuťového testu se to málo, co se zdálo jasné – základní dichotomie homo- a heterogenity katalýzy – rozpadlo. Ukázalo se, že některé zdánlivě dobře prostudované katalytické reakce vůbec nejsou tím, za co se myslelo. Například v roce 2012 ruský chemik Valentin Ananikov zjistil, že komplex palladia s dibenzylidenacetonem pro homogenní katalýzu, který laboratoře nakupují, je často kontaminován různě velkými nanočásticemi palladia – až 40 procent z nich. Chemici používají tento katalyzátor při cross-couplings, karbonylaci a alkyne-allenových kopulacích. Ukazuje se, že ani jeden katalytický proces objevený v tomto komplexu nelze nyní považovat za plně prostudovaný. Všechny experimenty se musí opakovat a reakční směsi se musí znovu analyzovat – co kdyby někde hlavním katalyzátorem byly kovové nanočástice, a nikoli rozpustné komplexní sloučeniny?

Nečistoty jsou všude

„Zbloudilé“ katalytické částice často způsobují stažení chemických papírů, jejichž autoři tvrdili, že našli nový katalyzátor. Takže v roce 2021 v časopise Přírodní katalýza Byl publikován článek popisující objev organického katalyzátoru pro Suzukiho kopulační reakci, která kombinuje organický halogenid a kyselinu boronovou. Navzdory skutečnosti, že teorie mechanismů cross-coupling naznačuje, že organické katalyzátory nejsou pro tuto reakci v zásadě vhodné a je zde potřeba kov.

Autoři článku přirozeně věděli, že teorie nepřipouští organické katalyzátory v této reakci. Vědci zkontrolovali všechna činidla na přítomnost kovových nečistot – ukázalo se, že jsou čisté. Kromě toho provedli kinetické studie jejich reakce a ukázali, že její rychlost se nemění, když se do reakční směsi přidávají soli kovů nebo když se katalyzátor dále čistí. Vědci také vytvořili počítačový model reakce pomocí teorie funkcionálu hustoty a potvrdil, že Suzukiho reakce může být organokatalytická.

Jiným chemikům se dokonce podařilo využít nečekaného objevu – k syntéze mikroporézních polymerních materiálů použili organický katalyzátor.

Ale po nějaké době ve stejném Přírodní katalýza Byly zveřejněny tři práce vyvracející objev čínských chemiků. Někteří vědci prokázali, že pokud je organický katalyzátor syntetizován bez použití palladiových komplexů (jak byl připraven v původním článku), nevykazuje katalytickou aktivitu v Suzukiho reakci. Jiní dospěli ke stejným závěrům analýzou vzorků komplexu získaného pomocí původní metody. Ukázalo se, že autoři původní práce hledali palladium metodou, která nefunguje pro všechny složité částice, takže nečistoty nenašli.

Podobný příběh se stal s katalýzou reakce přenosu vodíku. Typicky se jako rozpouštědlo pro tuto reakci používá isopropanol, který se oxiduje na aceton s eliminací molekuly vodíku. Tento vodík může hydrogenovat další karbonylovou sloučeninu v roztoku. Ke katalýze těchto reakcí chemici tradičně používali například komplexy a soli hliníku nebo ruthenia a do reakční směsi přidávali silné zásady, aby se alkohol mohl připojit k molekule katalyzátoru.

V roce 2009 chemici ve Francii zjistili, že k přenosu vodíku stačí pouhá přítomnost báze, jako je hydroxid draselný, a nejsou potřeba žádná další činidla. Vědci provedli kinetické testy s přídavkem solí kovů a zkontrolovali čistotu báze – reakci skutečně katalyzovaly běžné hydroxidy alkalických kovů. Ale vědci netvrdili, že v reakci nebyly žádné neznámé nečistoty. Mechanismus katalýzy tedy v tomto případě zůstává nejasný.

Hledání nečistot bez pochopení toho, co přesně funguje jako katalyzátor, je velmi nevděčný úkol. Znečištěná mohou být nejen činidla nebo sklo, ale dokonce i teflonový povrch armatur magnetických míchadel, která se používají k míchání reakčních směsí. Nejčastěji se stejné kotvy používají několik měsíců nebo let – jsou odolné vůči žíravinám a snadno se omývají. V roce 2019 si ale chemici všimli, že kovové nanočástice se mohou hromadit v defektech na povrchu kotvy, které nelze odstranit ani důkladným umytím. To znamená, že mohou fungovat jako katalyzátory reakcí, včetně křížové vazby Suzuki, kterou jsme zmínili výše. Pro kontrolu spolehlivosti katalytických reakcí je nutné použít důkladně vyčištěné nádobí, činidla s přesně známým složením a nové kotvy.

Kromě toho mohou katalytické nečistoty vstupovat do reakční směsi doslova ze vzduchu. V sedmdesátých letech minulého století se do výfukových systémů automobilů začaly montovat katalyzátory – trubky naplněné kovovými částicemi na substrátu. V důsledku toho je v půdě a vzduchu znatelně více nanočástic přechodných kovů. Pomocí platiny, palladia a rhodia na povrchu konvertorů se pro člověka toxické oxidy dusíku redukují na molekulární dusík a oxid uhelnatý se oxiduje na bezpečný oxid uhličitý. Z konvertorů se kovy dostávají do životního prostředí. Už v roce 2012 chemici ukázali, že stačí nechat skleněný filtr na kraji silnice – a do jednoho dne bude možné provádět Heckovy a Suzukiho reakce s vysokými výtěžky.

Racionální hledání

Moderní metody chemické a fyzikální analýzy umožňují poměrně spolehlivě předpovídat reakční produkty i složitých víceatomových molekul. Pomocí kvantově chemických výpočtů a molekulárního modelování lze poměrně přesně předpovídat fyzikální vlastnosti jednotlivých molekul, složitých struktur a krystalů. Ale hledání katalyzátorů zatím nemůže dosáhnout této úrovně, ať se snaží sebevíc.

Nyní chemici již popáté navrhují přehodnotit chápání toho, co je ve skutečnosti považováno za katalyzátor: již ne samostatnou molekulu, částici nebo jejich směs, ale považovat katalyzátor za komplexní dynamický systém, ve kterém sekvenční transformace z některých látek do jiných dává vzniknout průběhu katalyzované reakce.

„Pokud se podíváme na historický vývoj katalytické chemie, v první fázi vývoje byly katalyzátory prezentovány jako jednoduché monometalické komplexy. Jeden atom kovu v katalyzátoru. Pak postupně prošly vlny nanokatalýzy, vyplavování atomů a koktejl katalyzátorů. Nyní žijeme v éře páté vlny vývoje katalyzátorů – dynamické katalýzy,“ vysvětluje N+1 Valentin Ananikov, vedoucí laboratoře kovových komplexů a nanorozměrových katalyzátorů v Zelinského institutu organické chemie Ruské akademie věd.

Katalytické reakce probíhají současně několika cestami, z nichž každou je obtížné izolovat od ostatních a podrobně studovat. A katalyzátor se často ukáže, že to není látka, o které se vůbec myslelo. „Hluboce zakořeněná mylná představa souvisí s faktem,“ pokračuje účastník rozhovoru N+1, – že katalyzátor je látka, která se odebírá z plechovky a přidává se do reakce, ať už jde o kovový komplex nebo katalyzátor na nosiči. V reálném životě je to jen předchůdce katalyzátoru a skutečné katalyticky aktivní místo může mít úplně jinou strukturu.“

Zde vznikají všechny potíže s hledáním nových katalyzátorů. Složitost molekulárních interakcí se střetává se složitostí experimentování, takže racionální návrh katalyzátorů pro specifické reakce zůstává ve slepé uličce. Je třeba vysvětlit reakční mechanismy a posteriori – když již byl katalyzátor nalezen. Tyto předpoklady, dokonce i ty vytvořené pomocí kvantově chemických modelů, se však často ukazují jako zjednodušení, které je vzdálené realitě.

„K chybám dochází, když výzkumníci příliš zjednodušují katalytický systém a vybírají jednu formu, kterou mají vzít v úvahu, přičemž ostatní ignorují,“ říká Ananikov. — K tomu dochází v experimentálních studiích, když se nedostatečně používají analytické metody. Pokud se například při studiu homogenních katalytických reakcí nepoužívá elektronová mikroskopie, pak kovové nanočástice zůstanou bez povšimnutí. Teoretické modely někdy berou v úvahu katalyzátory, které se v přírodě vůbec nevyskytují.“

Někteří chemici vidí možné řešení tohoto problému ve standardní laboratorní praxi použití jednorázového skla, zatímco jiní vyvíjejí obecný protokol pro testování výchozích látek na nečistoty. Jiní navrhují poslat každý nový katalyzátor k testování do jiných laboratoří a nic nezveřejňovat, dokud jejich kolegové nezopakují jejich výsledky.

Ale přes všechna tato opatření je stále obtížné vysvětlit mechanismy katalytických reakcí, aniž bychom zapomněli na jejich strukturální složitost a dynamickou povahu. Jak teoreticky předpovídat nové katalyzátory. „Pro vývoj účinných katalyzátorů nové generace je nutné vzít v úvahu jejich dynamickou povahu již ve fázi návrhu,“ shrnuje Ananikov. — Znovu se studují, objasňují reakční mechanismy a objevují se nové. Přesně tak se rozvíjí věda o katalýze. Je velmi důležité, aby vědci věděli, že katalyzátory nejsou statické struktury. Katalýza je dynamický fenomén.“