Termini

• Idrogenazionela reazione chimica dell’idrogeno con un’altra sostanza, in particolare con un composto organico insaturo.
• substrateThe composto o materiale su cui deve essere agito.

Reazioni di idrogenazione

L’idrogenazione si riferisce al trattamento di sostanze con idrogeno molecolare (H2), aggiungendo coppie di atomi di idrogeno ai composti (generalmente composti insaturi). Questi di solito richiedono un catalizzatore per la reazione di verificarsi in condizioni normali di temperatura e pressione. La maggior parte delle reazioni di idrogenazione utilizzano idrogeno gassoso come fonte di idrogeno, ma sono state sviluppate fonti alternative. L’inverso dell’idrogenazione, in cui l’idrogeno viene rimosso dai composti, è noto come deidrogenazione. L’idrogenazione differisce dalla protonazione o dall’aggiunta di idruro perché nell’idrogenazione i prodotti hanno la stessa carica dei reagenti.

Le reazioni di idrogenazione richiedono generalmente tre componenti: il substrato, la sorgente di idrogeno e un catalizzatore. La reazione viene effettuata a temperature e pressioni variabili a seconda del catalizzatore e del substrato utilizzato. L’idrogenazione di un alchene produce un alcano. L’aggiunta di idrogeno ai composti avviene in modo syn addition, aggiungendo alla stessa faccia del composto e entrando dal lato meno ostacolato. Generalmente, gli alcheni si convertono in alcani, alchini in alcheni, aldeidi e chetoni in alcoli, esteri in alcoli secondari e ammidi in ammine tramite reazioni di idrogenazione.

Catalizzatori di idrogenazione

Generalmente, le reazioni di idrogenazione non si verificano tra idrogeno e composti organici al di sotto di 480 gradi Celsius senza catalizzatori metallici. I catalizzatori sono responsabili del legame della h2molecola e facilitano la reazione tra l’idrogeno e il substrato. Platino, palladio, rodio e rutenio sono noti per essere catalizzatori attivi che possono operare a temperature e pressioni più basse. La ricerca è in corso per procurarsi catalizzatori di metalli non preziosi in grado di produrre attività simili a temperature e pressioni più basse. Catalizzatori a base di nichel, come Raney nickel, sono stati sviluppati, ma richiedono ancora alte temperature e pressioni.

I catalizzatori possono essere suddivisi in due categorie: catalizzatori omogenei o eterogenei. I catalizzatori omogenei sono solubili nel solvente che contiene il substrato insaturo. I catalizzatori eterogenei si trovano più comunemente nell’industria e non sono solubili nel solvente contenente il substrato. Spesso, i catalizzatori eterogenei sono a base di metallo e sono attaccati a supporti a base di carbonio o ossido. La scelta del supporto per questi materiali è importante, in quanto i supporti possono influenzare l’attività dei catalizzatori. L’idrogeno gassoso è la fonte più comune di idrogeno utilizzato ed è disponibile in commercio.

L’idrogenazione è una reazione esotermica, che rilascia circa 25 kcal / mol nell’idrogenazione di oli vegetali e acidi grassi. Per i catalizzatori eterogenei, il meccanismo Horiuti-Polanyi spiega come si verifica l’idrogenazione. In primo luogo, il legame insaturo si lega al catalizzatore, seguito da H2dissociazione in idrogeno atomico sul catalizzatore. Quindi un atomo di idrogeno si attacca al substrato in un passaggio reversibile, seguito dall’aggiunta di un secondo atomo, rendendo irreversibile il processo di idrogenazione. Per una catalisi omogenea, il metallo si lega all’idrogeno per dare un complesso diidride tramite addizione ossidativa. Il metallo lega il substrato e quindi trasferisce uno degli atomi di idrogeno dal metallo al substrato attraverso l’inserimento migratorio. Il secondo atomo di idrogeno dal metallo viene trasferito al substrato con dissociazione simultanea dell’alcano appena formato tramite eliminazione riduttiva.

Usi industriali delle reazioni di idrogenazione

L’idrogenazione catalitica eterogenea è molto importante nei processi industriali. Nei processi petrolchimici, l’idrogenazione viene utilizzata per saturare alcheni e aromatici, rendendoli meno tossici e reattivi. L’idrogenazione è anche importante nella lavorazione degli oli vegetali perché la maggior parte degli oli vegetali deriva da acidi grassi polinsaturi. L’idrogenazione parziale riduce la maggior parte, ma non tutti, dei doppi legami carbonio-carbonio, rendendoli migliori per la vendita e il consumo. Il grado di saturazione dei grassi cambia importanti proprietà fisiche come la gamma di fusione degli oli; un esempio di questo è come gli oli vegetali liquidi diventano semi-solidi a varie temperature.

L’idrogenazione incompleta dei doppi legami ha implicazioni sulla salute; alcuni doppi legami possono isomerizzarsi dal cis allo stato trans. Questa isomerizzazione si verifica perché la configurazione trans ha un’energia inferiore rispetto alla configurazione cis. Gli isomeri trans sono stati implicati nel contribuire alle condizioni patologiche del sistema circolatorio del sangue (cioè, aterosclerosi e malattie cardiache).