avainkohdat

• Hydrausreaktioissa on tyypillisesti kolme komponenttia: vety, substraatti ja katalyytit, joita yleensä tarvitaan helpottamaan reaktiota alemmissa lämpötiloissa ja paineissa.
• on olemassa kaksi katalyyttiluokkaa, joilla on erilaiset hydrausmekanismit: heterogeeninen ja homogeeninen.
• Hydrausreaktiot eivät rajoitu alkeenien muuttumiseen alkaaneiksi, vaan ne kestävät erilaisia reaktioita, joissa substraatteja voidaan tehokkaasti pelkistää.
• epätäydellisillä hydrausreaktioilla on merkittäviä terveysvaikutuksia ja ne ovat korreloineet verenkiertosairauksien kanssa.

termit

• vedytys vedyn kemiallinen reaktio toisen aineen, erityisesti tyydyttymättömän orgaanisen yhdisteen kanssa.
• substraattiyhdiste tai materiaali, jota käytetään.

Hydrausreaktioilla

hydrauksella tarkoitetaan aineiden käsittelyä molekulaarisella vedyllä (H2), jolloin yhdisteisiin lisätään vetyatomipareja (yleensä tyydyttymättömiä yhdisteitä). Nämä vaativat yleensä katalyytin, jotta reaktio tapahtuisi normaaleissa lämpötila-ja paineolosuhteissa. Useimmissa hydrausreaktioissa vedyn lähteenä käytetään kaasumaista vetyä, mutta vaihtoehtoisia lähteitä on kehitetty. Vedytyksen käänteispuolta, jossa yhdisteistä poistetaan vetyä, kutsutaan dehydrogenaatioksi. Hydraus eroaa protonaatiosta tai hydridin additiosta, koska hydrauksessa tuotteilla on sama varaus kuin reaktanteilla.

Hydrausreaktioissa tarvitaan yleensä kolme komponenttia: substraatti, vedyn lähde ja katalyytti. Reaktio suoritetaan vaihtelevissa lämpötiloissa ja paineissa riippuen käytetystä katalyytistä ja substraatista. Alkeenin vedyttäminen tuottaa alkaania. Vedyn lisääminen yhdisteisiin tapahtuu syn-additiotyylillä, jolloin yhdisteen samalle pinnalle lisätään ja se tulee vähiten estyneeltä puolelta. Yleensä alkeenit muuntuvat alkaaneiksi, alkyynit alkeeneiksi, aldehydit ja ketonit alkoholeiksi, esterit sekundaarisiksi alkoholeiksi ja amidit amiineiksi hydrausreaktioiden avulla.

hydrauksen katalyytit

yleensä vedytysreaktioita ei tapahdu vedyn ja orgaanisten yhdisteiden välillä alle 480 celsiusasteessa ilman metallikatalyyttejä. Katalyytit sitoutuvat H2-molekyyliin ja helpottavat vedyn ja substraatin välistä reaktiota. Platinan, palladiumin, rodiumin ja ruteniumin tiedetään olevan aktiivisia katalyyttejä, jotka voivat toimia alemmissa lämpötiloissa ja paineissa. Käynnissä on tutkimus ei-jalometallikatalyyttien hankkimiseksi, jotka voivat tuottaa samanlaista toimintaa alemmissa lämpötiloissa ja paineissa. Nikkelipohjaisia katalyyttejä, kuten Raney-nikkeliä, on kehitetty, mutta ne vaativat edelleen korkeita lämpötiloja ja paineita.

katalyytit voidaan jakaa kahteen luokkaan: homogeenisiin tai heterogeenisiin katalyytteihin. Homogeeniset katalyytit liukenevat tyydyttymättömän substraatin sisältävään liuottimeen. Heterogeenisiä katalyyttejä esiintyy yleisemmin teollisuudessa, eivätkä ne liukene substraattia sisältävään liuottimeen. Usein heterogeeniset katalyytit ovat metallipohjaisia ja ne on kiinnitetty hiileen tai oksidiin pohjautuviin kannattimiin. Tuen valinta näille materiaaleille on tärkeää, koska tuet voivat vaikuttaa katalyyttien toimintaan. Vetykaasu on yleisin käytetyn vedyn lähde, ja sitä on kaupallisesti saatavilla.

hydraus on eksoterminen reaktio, jossa kasviöljyjen ja rasvahappojen hydrauksessa vapautuu noin 25 kcal / mol. Heterogeenisille katalyyteille Horiuti-Polanyi-mekanismi selittää, miten vedytys tapahtuu. Ensin tyydyttymätön sidos sitoutuu katalyyttiin, minkä jälkeen H2-dissosiaatio atomivedyksi katalyytille. Tämän jälkeen yksi vetyatomi kiinnittyy substraattiin käänteisessä vaiheessa, minkä jälkeen siihen lisätään toinen atomi, jolloin hydrausprosessi muuttuu peruuttamattomaksi. Homogeenisessa katalyysissä metalli sitoutuu vetyyn, jolloin muodostuu dihydridikompleksi oksidatiivisen addition kautta. Metalli sitoo substraatin ja siirtää sitten yhden vetyatomeista metallilta substraatille vaeltavan insertion kautta. Toinen vetyatomi metallista siirtyy substraatille vastamuodostuneen alkaanin samanaikaisella dissosiaatiolla pelkistävällä eliminaatiolla.

Hydrausreaktioiden Teolliset käyttötarkoitukset

heterogeeninen katalyyttinen hydraus on erittäin tärkeää teollisissa prosesseissa. Petrokemian prosesseissa hydrausta käytetään alkyynien ja aromaattien kyllästämiseen, jolloin ne ovat vähemmän myrkyllisiä ja reaktiivisia. Hydraus on tärkeää myös kasviöljyjen jalostuksessa, koska useimmat kasviöljyt ovat peräisin monityydyttymättömistä rasvahapoista. Osittainen hydraus vähentää hiili-hiili-kaksoissidoksia eniten, mutta ei kaikkia, mikä tekee niistä parempia myyntiin ja kulutukseen. Rasvojen kylläisyysaste muuttaa tärkeitä fysikaalisia ominaisuuksia, kuten öljyjen sulamisaluetta; esimerkki tästä on se, miten nestemäiset kasviöljyt muuttuvat puolikiinteiksi eri lämpötiloissa.

kaksoissidosten epätäydellisellä hydrauksella on terveydellisiä vaikutuksia; jotkut kaksoissidokset voivat isomerisoitua cis: stä trans-tilaan. Tämä isomeroituminen johtuu siitä, että trans-konfiguraatiossa on pienempi energia kuin cis-konfiguraatiossa. Trans-isomeerien on todettu edistävän patologisia verenkiertoelimistön tiloja (eli ateroskleroosia ja sydänsairauksia).