Begriffe

• Hydrierungdie chemische Reaktion von Wasserstoff mit einer anderen Substanz, insbesondere mit einer ungesättigten organischen Verbindung.
• Substratdie Verbindung oder das Material, auf das eingewirkt werden soll.

Hydrierreaktionen

Hydrierung bezieht sich auf die Behandlung von Substanzen mit molekularem Wasserstoff (H2), wobei Wasserstoffatompaare zu Verbindungen (im Allgemeinen ungesättigten Verbindungen) hinzugefügt werden. Diese erfordern normalerweise einen Katalysator, damit die Reaktion unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen abläuft. Die meisten Hydrierungsreaktionen verwenden gasförmigen Wasserstoff als Wasserstoffquelle, aber alternative Quellen wurden entwickelt. Die Umkehrung der Hydrierung, bei der Wasserstoff aus den Verbindungen entfernt wird, wird als Dehydrierung bezeichnet. Die Hydrierung unterscheidet sich von der Protonierung oder Hydridaddition, da die Produkte bei der Hydrierung die gleiche Ladung wie die Reaktanten haben.

Hydrierreaktionen erfordern im Allgemeinen drei Komponenten: das Substrat, die Wasserstoffquelle und einen Katalysator. Die Reaktion wird je nach verwendetem Katalysator und Substrat bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken durchgeführt. Die Hydrierung eines Alkens erzeugt ein Alkan. Die Addition von Wasserstoff an Verbindungen erfolgt in einer Syn-Addition-Weise, die auf die gleiche Seite der Verbindung gegeben wird und von der am wenigsten behinderten Seite eintritt. Im Allgemeinen werden Alkene über Hydrierungsreaktionen in Alkane, Alkine in Alkene, Aldehyde und Ketone in Alkohole, Ester in sekundäre Alkohole und Amide in Amine umgewandelt.

Katalysatoren der Hydrierung

Im Allgemeinen treten Hydrierungsreaktionen zwischen Wasserstoff und organischen Verbindungen unter 480 Grad Celsius ohne Metallkatalysatoren nicht auf. Katalysatoren sind für die Bindung des H2moleküls verantwortlich und erleichtern die Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Substrat. Platin, Palladium, Rhodium und Ruthenium sind bekanntermaßen aktive Katalysatoren, die bei niedrigeren Temperaturen und Drücken arbeiten können. Es wird derzeit daran geforscht, Nichtedelmetallkatalysatoren zu beschaffen, die bei niedrigeren Temperaturen und Drücken eine ähnliche Aktivität erzeugen können. Katalysatoren auf Nickelbasis, wie Raney-Nickel, wurden entwickelt, erfordern jedoch immer noch hohe Temperaturen und Drücke.

Katalysatoren können in zwei Kategorien unterteilt werden: homogene oder heterogene Katalysatoren. Homogene Katalysatoren sind in dem Lösungsmittel löslich, das das ungesättigte Substrat enthält. Heterogene Katalysatoren werden häufiger in der Industrie gefunden und sind in dem Lösungsmittel, das das Substrat enthält, nicht löslich. Heterogene Katalysatoren basieren häufig auf Metall und sind an Träger auf Kohlenstoff- oder Oxidbasis gebunden. Die Wahl des Trägers für diese Materialien ist wichtig, da die Träger die Aktivität der Katalysatoren beeinflussen können. Wasserstoffgas ist die am häufigsten verwendete Wasserstoffquelle und im Handel erhältlich.

Hydrierung ist eine exotherme Reaktion, die bei der Hydrierung von Pflanzenölen und Fettsäuren etwa 25 kcal/mol freisetzt. Für heterogene Katalysatoren erklärt der Horiuti-Polanyi-Mechanismus, wie die Hydrierung stattfindet. Zuerst bindet die ungesättigte Bindung an den Katalysator, gefolgt von H2dissoziation in atomaren Wasserstoff auf den Katalysator. Dann bindet sich ein Wasserstoffatom in einem reversiblen Schritt an das Substrat, gefolgt von der Zugabe eines zweiten Atoms, wodurch der Hydrierprozess irreversibel wird. Zur homogenen Katalyse bindet das Metall über oxidative Addition an Wasserstoff zu einem Dihydridkomplex. Das Metall bindet das Substrat und überträgt dann eines der Wasserstoffatome vom Metall auf das Substrat durch wandernde Insertion. Das zweite Wasserstoffatom aus dem Metall wird unter gleichzeitiger Abspaltung des neu gebildeten Alkans durch reduktive Abspaltung auf das Substrat übertragen.

Industrielle Anwendungen von Hydrierreaktionen

Heterogene katalytische Hydrierung ist in industriellen Prozessen sehr wichtig. In petrochemischen Prozessen wird die Hydrierung verwendet, um Alkene und Aromaten zu sättigen, wodurch sie weniger toxisch und reaktiv werden. Die Hydrierung ist auch bei der Verarbeitung von Pflanzenölen wichtig, da die meisten Pflanzenöle aus mehrfach ungesättigten Fettsäuren stammen. Die partielle Hydrierung reduziert die meisten, aber nicht alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen und macht sie besser für Verkauf und Verbrauch. Der Sättigungsgrad von Fetten verändert wichtige physikalische Eigenschaften wie den Schmelzbereich der Öle; ein Beispiel dafür ist, wie flüssige Pflanzenöle bei verschiedenen Temperaturen halbfest werden.

Eine unvollständige Hydrierung der Doppelbindungen hat gesundheitliche Auswirkungen; Einige Doppelbindungen können vom cis- in den trans-Zustand isomerisieren. Diese Isomerisierung tritt auf, weil die trans-Konfiguration eine geringere Energie als die cis-Konfiguration aufweist. Die trans-Isomere wurden mit einem Beitrag zu pathologischen Zuständen des Blutkreislaufsystems (d. H. Atherosklerose und Herzerkrankungen) in Verbindung gebracht.