Objectif d’apprentissage
- Discutez des réactions d’hydrogénation.
Points clés
- Les réactions d’hydrogénation ont généralement trois composants: l’hydrogène, le substrat et les catalyseurs, qui sont généralement nécessaires pour faciliter la réaction à des températures et des pressions plus basses.
- Il existe deux classes de catalyseurs avec des mécanismes d’hydrogénation différents : hétérogènes et homogènes.
- Les réactions d’hydrogénation ne se limitent pas à la conversion d’alcènes en alcanes, mais couvrent une variété de réactions où les substrats peuvent être efficacement réduits.
- Des réactions d’hydrogénation incomplètes ont des implications importantes sur la santé et ont été corrélées avec des maladies circulatoires.
Termes
- Hydrogénationla réaction chimique de l’hydrogène avec une autre substance, en particulier avec un composé organique insaturé.
- Substratle composé ou le matériau sur lequel il faut agir.
Réactions d’hydrogénation
L’hydrogénation fait référence au traitement de substances avec de l’hydrogène moléculaire (H2), ajoutant des paires d’atomes d’hydrogène à des composés (composés généralement insaturés). Ceux-ci nécessitent généralement un catalyseur pour que la réaction se produise dans des conditions normales de température et de pression. La plupart des réactions d’hydrogénation utilisent l’hydrogène gazeux comme source d’hydrogène, mais des sources alternatives ont été développées. L’inverse de l’hydrogénation, où l’hydrogène est éliminé des composés, est connu sous le nom de déshydrogénation. L’hydrogénation diffère de la protonation ou de l’addition d’hydrure car lors de l’hydrogénation, les produits ont la même charge que les réactifs.
Les réactions d’hydrogénation nécessitent généralement trois composants: le substrat, la source d’hydrogène et un catalyseur. La réaction s’effectue à des températures et pressions variables selon le catalyseur et le substrat utilisés. L’hydrogénation d’un alcène produit un alcane. L’addition d’hydrogène aux composés se fait de manière syn addition, s’ajoutant à la même face du composé et entrant du côté le moins gêné. Généralement, les alcènes se convertissent en alcanes, les alcynes en alcènes, les aldéhydes et les cétones en alcools, les esters en alcools secondaires et les amides en amines par des réactions d’hydrogénation.
Catalyseurs d’hydrogénation
Généralement, les réactions d’hydrogénation ne se produiront pas entre l’hydrogène et les composés organiques en dessous de 480 degrés Celsius sans catalyseurs métalliques. Les catalyseurs sont chargés de lier la molécule H2 et de faciliter la réaction entre l’hydrogène et le substrat. Le platine, le palladium, le rhodium et le ruthénium sont connus pour être des catalyseurs actifs pouvant fonctionner à des températures et des pressions plus basses. Des recherches sont en cours pour se procurer des catalyseurs de métaux non précieux qui peuvent produire une activité similaire à des températures et des pressions plus basses. Des catalyseurs à base de nickel, tels que le nickel de Raney, ont été développés, mais nécessitent toujours des températures et des pressions élevées.
Les catalyseurs peuvent être divisés en deux catégories: les catalyseurs homogènes ou hétérogènes. Les catalyseurs homogènes sont solubles dans le solvant qui contient le substrat insaturé. Les catalyseurs hétérogènes se trouvent plus couramment dans l’industrie et ne sont pas solubles dans le solvant contenant le substrat. Souvent, les catalyseurs hétérogènes sont à base de métal et sont attachés à des supports à base de carbone ou d’oxyde. Le choix du support pour ces matériaux est important, car les supports peuvent affecter l’activité des catalyseurs. L’hydrogène gazeux est la source d’hydrogène la plus couramment utilisée et est disponible dans le commerce.
L’hydrogénation est une réaction exothermique, libérant environ 25 kcal / mol dans l’hydrogénation des huiles végétales et des acides gras. Pour les catalyseurs hétérogènes, le mécanisme Horiuti-Polanyi explique comment se produit l’hydrogénation. Tout d’abord, la liaison insaturée se lie au catalyseur, suivie d’une dissociation de H2 en hydrogène atomique sur le catalyseur. Ensuite, un atome d’hydrogène se fixe au substrat dans une étape réversible, suivie de l’ajout d’un deuxième atome, rendant le processus d’hydrogénation irréversible. Pour une catalyse homogène, le métal se lie à l’hydrogène pour donner un complexe dihydride par addition oxydative. Le métal lie le substrat puis transfère l’un des atomes d’hydrogène du métal au substrat par insertion migratoire. Le deuxième atome d’hydrogène du métal est transféré au substrat avec dissociation simultanée de l’alcane nouvellement formé par élimination réductrice.
Utilisations industrielles des réactions d’hydrogénation
L’hydrogénation catalytique hétérogène est très importante dans les procédés industriels. Dans les procédés pétrochimiques, l’hydrogénation est utilisée pour saturer les alcènes et les aromatiques, les rendant moins toxiques et réactifs. L’hydrogénation est également importante dans le traitement des huiles végétales car la plupart des huiles végétales sont dérivées d’acides gras polyinsaturés. L’hydrogénation partielle réduit la plupart, mais pas toutes, des doubles liaisons carbone-carbone, ce qui les rend meilleures pour la vente et la consommation. Le degré de saturation des graisses modifie des propriétés physiques importantes telles que la plage de fusion des huiles; un exemple de ceci est la façon dont les huiles végétales liquides deviennent semi-solides à différentes températures.
Une hydrogénation incomplète des doubles liaisons a des conséquences sur la santé; certaines doubles liaisons peuvent s’isomériser de l’état cis à l’état trans. Cette isomérisation se produit parce que la configuration trans a une énergie plus faible que la configuration cis. Les isomères trans ont été impliqués dans la contribution à des conditions pathologiques du système circulatoire sanguin (c.-à-d. l’athérosclérose et les maladies cardiaques).