Homogeneous Catalysis - Lab - Cheatsheet

Definition und Prinzipien homogener Katalysatoren

Definition:

Homogene Katalysatoren sind in der gleichen Phase wie die Edukte, meist flüssig. Sie ermöglichen spezifische, selektive Reaktionen unter milden Bedingungen.

Details:

• Phase: oft flüssig
• Homogenität: verbesserte Kontaktfläche
• Selektivität: hohe Produktreinheit
• Reaktionsbedingungen: häufig mild
• Beispielreaktionen: Hydroformylierung, Hydrierung
• Katalysatorregeneration: teilweise möglich
• Reaktionsmechanismus: meist über Komplexbildung mit Edukten

Unterschiede zwischen homogenen und heterogenen Katalysatoren

Definition:

Vergleich zwischen Katalysatoren, die in derselben Phase wie die Reaktanten (homogen) und in einer anderen Phase als die Reaktanten (heterogen) vorliegen.

Details:

• Homogene Katalysatoren: in derselben Phase wie Reaktanten
• Heterogene Katalysatoren: in einer anderen Phase
• Reaktionsgeschwindigkeit: in homogenen Systemen oft schneller
• Abtrennung/ Wiederverwendung: bei heterogenen Katalysatoren einfacher
• Beispielformel für homogene Katalyse:
• Beispielformel für heterogene Katalyse:

Beispiele für häufig verwendete homogene Katalysatoren

Definition:

Beispiele für häufig verwendete homogene Katalysatoren mit ihren typischen Anwendungen und Reaktionsmechanismen.

Details:

• Wilkinson-Katalysator (RhCl(PPh₃)₃): Verwendet in der Hydrierung von Alkenen.
• Grubbs-Katalysator (RuCl₂(PCy₃)₂(CHPh)): Verwendet in der Metathese von Olefinen.
• Schrock-Katalysator (Mo(NAr)(=CHAr)(OR)₂): Verwendet in der Metathese von Olefinen.
• Haber-Bosch-Katalysator (Fe-basierte Katalysatoren): Verwendet in der Ammoniaksynthese durch Stickstofffixierung.
• Hydroformylierungskatalysatoren (Co(CO)₈, RhH(CO)(PPh₃)₃): Verwendet in der Aldehydsynthese aus Alkenen.

Methoden zur Herstellung homogener Katalysatoren

Definition:

Methoden zur Herstellung homogener Katalysatoren: Synthese homogener Katalysatoren durch präzises molekulares Design und Reaktionen in Lösung.

Details:

• Vorbereitung von Liganden: Erstellen spezieller Liganden, die selektiv an Metallzentren binden.
• Komplexierung: Metallzentren in Lösung mit Liganden zu spezifischen Komplexen reagieren lassen.
• Solvatisierung: Lösungsmittel, die die Bildung und Stabilität der Katalysatoren fördern.
• Reinigung: Entfernung unerwünschter Nebenprodukte und Verunreinigungen, um reine Katalysatorproben zu erhalten.
• Charakterisierung: Einsatz spektroskopischer Methoden (z.B. NMR, IR), um die Struktur und Reinheit der Katalysatoren zu bestätigen.

Verwendung von Liganden und Metallzentren

Definition:

Anwendung von richtig gewählten Liganden und Metallzentren zur Steuerung von Reaktivität und Selektivität in homogenen Katalyseprozessen.

Details:

• Liganden: bestimmen sterische und elektronische Eigenschaften.
• Metallzentren: Übergangsmetalle oft verwendet, z.B. Pt, Pd, Rh.
• Bindungsarten: koordinative Bindungen zwischen Ligand und Metallzentrum.
• Homogene Katalysatoren: einheitliche Phase mit Reaktanden.
• Anwendungen: Hydroformylierung, Hydrierung, Kopplungsreaktionen.
• Katalysezyklus: Schrittweise Bindung und Umwandlung der Substrate.

Analyse von katalytischen Zyklen

Definition:

Überprüfung und Verständnis der Abfolge von Zwischenstufen und Reaktionen in einem katalytischen Zyklus zur Optimierung der Katalyse.

Details:

• Schritte identifizieren: Initiierung, Umwandlung, Produktabgabe, Rückgewinnung des Katalysators.
• Reaktionsmechanismen: Bestimmen und charakterisieren von Intermediaten und Übergangszuständen.
• Geschwindigkeits- und Gleichgewichtsanalyse: Untersuchung der Reaktionsraten und Gleichgewichtszustände.
• Katalysatorstabilität und -effizienz: Bewertung der Lebensdauer und Wiederverwendbarkeit des Katalysators.
• Energieprofile: Erstellen und analysieren von Potentialflächen mithilfe von \textit{DFT} und \textit{CCSD(T)}.
• Oft verwendete Methoden: \textit{NMR}, \textit{IR}, \textit{UV-Vis}, und \textit{GC-MS}.

Bestimmung von Geschwindigkeitskonstanten

Definition:

Methode zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines katalytischen Prozesses in homogenen Systemen.

Details:

• Geschwindigkeitsgesetz: \(\text{{rate}} = k \times [\text{{A}}]^m \times [\text{{B}}]^n\)
• Bestimmung von \(k\) durch Experiment und Datenauswertung (z.B. Linearisierung).
• Linearisierungsmethoden:
  • Lagemessung der Konzentration (\(\frac{-d[\text{{A}}]}{dt} = k[\text{{A}}]^m[\text{{B}}]^n\))
  • Initialratenmethode
  • Integration der Geschwindigkeitsgleichung
• Anwendung: Berechnung und Analyse der kinetischen Parameter.

Sicherheitsprotokolle und Umgang mit Chemikalien

Definition:

Sicherheitsprotokolle sind wichtige Richtlinien, die helfen, Unfälle und Verletzungen im Labor zu verhindern; Umgang mit Chemikalien erfordert besondere Vorsichtsmaßnahmen, um Gefahren wie Vergiftungen, Brände und Explosionen zu vermeiden.

Details:

• Trage immer geeignete Schutzkleidung (Laborkittel, Handschuhe, Schutzbrille).
• Arbeite in belüfteten Abzügen, wenn mit flüchtigen oder gefährlichen Chemikalien gearbeitet wird.
• Kenntnisse der Sicherheitsdatenblätter (SDB) jeder verwendeten Chemikalie sind obligatorisch.
• Lagere Chemikalien entsprechend ihrer Kompatibilität und Gefahrstoffgruppen.
• Im Falle eines Verschüttens, sofort die richtige Vorgehensweise folgen (siehe SDB).
• Niemals Chemikalien ohne geeignete Kennzeichnung lagern.
• Erste-Hilfe-Maßnahmen und Notfallausrüstung sollten leicht zugänglich sein.