Términos

• Hidrogenaciónla reacción química del hidrógeno con otra sustancia, especialmente con un compuesto orgánico insaturado.
• Substrata el compuesto o material sobre el que se debe actuar.

Reacciones de hidrogenación

La hidrogenación se refiere al tratamiento de sustancias con hidrógeno molecular (H2), agregando pares de átomos de hidrógeno a compuestos (generalmente compuestos insaturados). Estos generalmente requieren un catalizador para que la reacción ocurra en condiciones normales de temperatura y presión. La mayoría de las reacciones de hidrogenación utilizan hidrógeno gaseoso como fuente de hidrógeno, pero se han desarrollado fuentes alternativas. El reverso de la hidrogenación, donde el hidrógeno se elimina de los compuestos, se conoce como deshidrogenación. La hidrogenación difiere de la protonación o adición de hidruros porque en la hidrogenación los productos tienen la misma carga que los reactivos.

Las reacciones de hidrogenación generalmente requieren tres componentes: el sustrato, la fuente de hidrógeno y un catalizador. La reacción se lleva a cabo a temperaturas y presiones variables en función del catalizador y el sustrato utilizados. La hidrogenación de un alqueno produce un alcano. La adición de hidrógeno a los compuestos ocurre en forma de adición syn, agregándose a la misma cara del compuesto y entrando desde el lado menos obstaculizado. Generalmente, los alquenos se convertirán en alcanos, alquinos en alquenos, aldehídos y cetonas en alcoholes, ésteres en alcoholes secundarios y amidas en aminas a través de reacciones de hidrogenación.

Catalizadores de hidrogenación

Generalmente, las reacciones de hidrogenación no ocurrirán entre el hidrógeno y los compuestos orgánicos por debajo de 480 grados Celsius sin catalizadores metálicos. Los catalizadores son responsables de unir la H2molécula y facilitar la reacción entre el hidrógeno y el sustrato. Se sabe que el platino, el paladio, el rodio y el rutenio son catalizadores activos que pueden funcionar a temperaturas y presiones más bajas. Se están realizando investigaciones para adquirir catalizadores de metales no preciosos que puedan producir una actividad similar a temperaturas y presiones más bajas. Se han desarrollado catalizadores a base de níquel, como el níquel Raney, pero aún requieren altas temperaturas y presiones.

Los catalizadores se pueden dividir en dos categorías: catalizadores homogéneos o heterogéneos. Los catalizadores homogéneos son solubles en el disolvente que contiene el sustrato insaturado. Los catalizadores heterogéneos se encuentran más comúnmente en la industria y no son solubles en el disolvente que contiene el sustrato. A menudo, los catalizadores heterogéneos se basan en metales y se unen a soportes basados en carbono u óxido. La elección del soporte para estos materiales es importante, ya que los soportes pueden afectar la actividad de los catalizadores. El gas hidrógeno es la fuente más común de hidrógeno utilizada y está disponible comercialmente.

La hidrogenación es una reacción exotérmica que libera aproximadamente 25 kcal / mol en la hidrogenación de aceites vegetales y ácidos grasos. Para los catalizadores heterogéneos, el mecanismo Horiuti-Polanyi explica cómo se produce la hidrogenación. Primero, el enlace insaturado se une al catalizador, seguido de la disociación de H2 en hidrógeno atómico en el catalizador. Luego, un átomo de hidrógeno se une al sustrato en un paso reversible, seguido de la adición de un segundo átomo, haciendo que el proceso de hidrogenación sea irreversible. Para una catálisis homogénea, el metal se une al hidrógeno para dar un complejo de dihidruro a través de la adición oxidativa. El metal se une al sustrato y luego transfiere uno de los átomos de hidrógeno del metal al sustrato a través de la inserción migratoria. El segundo átomo de hidrógeno del metal se transfiere al sustrato con disociación simultánea del alcano recién formado a través de la eliminación reductiva.

Usos industriales de las Reacciones de hidrogenación

La hidrogenación catalítica heterogénea es muy importante en los procesos industriales. En los procesos petroquímicos, la hidrogenación se utiliza para saturar alquenos y compuestos aromáticos, haciéndolos menos tóxicos y reactivos. La hidrogenación también es importante en el procesamiento de aceites vegetales porque la mayoría de los aceites vegetales se derivan de ácidos grasos poliinsaturados. La hidrogenación parcial reduce la mayoría de los dobles enlaces carbono-carbono, pero no todos, lo que los hace mejores para la venta y el consumo. El grado de saturación de las grasas cambia propiedades físicas importantes, como el rango de fusión de los aceites; un ejemplo de esto es cómo los aceites vegetales líquidos se vuelven semisólidos a varias temperaturas.

La hidrogenación incompleta de los dobles enlaces tiene implicaciones para la salud; algunos dobles enlaces pueden isomerizarse del estado cis al trans. Esta isomerización se produce porque la configuración trans tiene menor energía que la configuración cis. Los isómeros trans han sido implicados en contribuir a condiciones patológicas del sistema circulatorio de la sangre (es decir, aterosclerosis y enfermedades cardíacas).