Hidrogenación

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Hidrogenación
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Concepto:Proceso para adicionar hidrógeno a compuestos orgánicos no saturados.

Hidrogenación. Reacción química cuyo resultado es la adición de hidrógeno a un compuesto químico. Generalmente, el proceso implica temperatura elevada y relativamente presión alta en presencia de un catalizador.

Definición

También podemos definir la hidrogenación como la reacción química de hidrógeno con otra sustancia, generalmente un compuesto orgánico no saturado, y usualmente bajo la influencia de temperatura, presión, y catalizadores. Los objetivos habituales de esta reacción son compuestos orgánicos insaturados, como alquenos, alquinos, cetonas,nitrilos, y aminas.

Antecedentes

Se considera al químico francés Paul Sabatier el padre del proceso de hidrogenación. En 1897 descubrió que la presencia de trazas de níquel facilitaba la adición de hidrógeno a moléculas de compuestos orgánicos gaseosos. Wilhelm Normann patentó en Alemania en 1902 y en Gran Bretaña en 1903 la hidrogenación de aceites líquidos mediante hidrógeno gaseoso, lo que fue el comienzo de la industria en todo el mundo.

Proceso

Presenta tres componentes: el sustrato insaturado, la fuente de hidrógeno y un catalizador metálico. La reacción se lleva a cabo a diferentes temperaturas y presiones dependiendo del sustrato y la actividad del catalizador.

Las reacciones de hidrogenación incluyen:

  • Adición de hidrógeno a moléculas reactivas.
  • Incorporación de hidrógeno acompañado por ruptura de las moléculas iniciales (hidrogenolisis).
  • Las reacciones en las cuales resultan la isomerización, la cyclización, etc. Otras reacciones que involucran hidrógeno molecular y catalizadores son la aminación reductora (hidroammonolisis) y la hidroformilación (reacción oxo).

Tanto la hidrogenación como la hidrogenolisis necesitan catalizadores metálicos, puesto que sin su presencia el H2 no conseguiría reaccionar con ningún compuesto orgánico a velocidades apreciables.

La hidrogenolisis es la separación del enlace C-X (X = O, S, N) mediante H2 para dar dos enlaces C-H y H-X.

La cantidad de calor desprendida al hidrogenar un mol de un compuesto se llama calor de hidrogenación; es simplemente el H de la reacción, pero no se incluye el signo menos. El calor de hidrogenación de casi todo alqueno se aproxima bastante a un valor de 30 kcal por cada doble enlace del compuesto.

Sustrato

La adición de H2 a un alqueno produce un alcano en la reacción protípica: RCH=CH2 + H2 → RCH2CH3 (R = alquilo, arilo]])

La hidrogenación es sensible al impedimento estérico que explica la selectividad de la reacción con el vínculo exocíclico doble, pero no el doble enlace interno. Las dobles ligaduras de enlaces de fusión de anillos son difíciles de hidrogenar.

Una característica importante de las hidrogenaciones de alquenos y alquinos, ya sea con catálisis homogénea o heterogénea, es que la adición de hidrógeno se produce con adición syn, en donde el hidrógeno se adiciona por el lado menos impedido.

Termodinámica y mecanismos

La hidrogenación es una reacción fuertemente exotérmica. En la hidrogenación de aceites vegetales y ácidos grasos, por ejemplo, el calor liberado es de aproximadamente 25 kcal por cada mol (105 kJ/mol), suficiente para elevar la temperatura del aceite de 1.6-1.7 °C por gota de número de yodo. El mecanismo de la hidrogenación de alquenos catalizada por metales ha sido ampliamente estudiado.

RCH=CH2 + D2 → RCHDCH2D

Los alquenos reaccionan con hidrógeno en presencia de un catalizador (platino, paladio), convirtiéndose en alcanos. La función del catalizador es la de romper el enlace H-H. Cada uno de los hidrógenos se une a un carbono del alqueno saturándolo. Hidrogenacion-alquenos-01.png

Tipos generales de hidrogenación

  • Hidrogenación heterogénea (dos fases).
  • Hidrogenación homogénea (una fase).

En ambos casos, el catalizador provoca la adición de hidrógeno molecular, H,al doble enlace.

Hidrogenación heterogénea

Es el método clásico, todavía muy utilizado. El catalizador es algún metal dividido finamente, por lo común platino, paladio o níquel. Se agita una solución del alqueno bajo una ligera presión de hidrógeno gas en presencia de una pequeña cantidad del catalizador. La reacción es rápida y suave y, una vez completa, simplemente se filtra la solución del producto saturado del catalizador insoluble.

Hidrogenación homogénea

Mucho más moderna, ofrece una flexibilidad imposible de alcanzar con los catalizadores antiguos. Mediante modificaciones en los catalizadores, puede llevarse a cabo la hidrogenación con una selectividad sin precedente. Los catalizadores son complejos orgánicos de metales de transición, como rodio o iridio: por ejemplo, el catalizador de Wilkinson.Son solubles en disolventes orgánicos y la hidrogenación se efectúa así en una sola fase, la solución. Lo inconveniente del método está en la dificultad de separación del catalizador y el producto una vez terminada la reacción.

Sin embargo, se están desarrollando métodos para evitar esta dificultad: el catalizador se une incorporado químicamente a un polímero sólido insoluble (una molécula gigante), lo que permite una filtración fácil al final de la reacción. De esta manera, la hidrogenación homogénea se convierte en heterogénea, pero el modo de acción parece permanecer igual.

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