Кіріспе
Молекулалық сутегі мен басқа қосылыстар немесе элементтер арасындағы химиялық реакция. Сутегілеу – молекулалық сутегі (H2) мен басқа қосылыстар немесе элементтер арасындағы химиялық реакция, көбінесе никель, палладий немесе платина сияқты катализаторлардың қатысуымен жүзеге асады. Бұл процесс органикалық қосылыстарды толық қанықтыру немесе азайту үшін кеңінен қолданылады. Сутегілеу әдетте молекулаға, жиі алкендерге, сутек атомдарының жұптарын қосудан тұрады. Реакцияның тиімді болуы үшін катализаторлар қажет; катализаторсыз сутегілеу тек өте жоғары температурада ғана жүреді. Сутегілеу көмірсутектердегі екі және үш байланыстарды азайтады.
Hydrogenation is a chemical reaction between molecular hydrogen (H2) and another compound or element, usually in the presence of a catalyst such as nickel, palladium or platinum. The process is commonly employed to reduce or saturate organic compounds. Hydrogenation typically constitutes the addition of pairs of hydrogen atoms to a molecule, often an alkene. Catalysts are required for the reaction to be usable; non catalytic hydrogenation takes place only at very high temperatures. Hydrogenation reduces double and triple bonds in hydrocarbons.
Процесс
Гидрогенация үш компоненттен тұрады: қанықпаған субстрат, сутек (немесе сутек көзі) және міндетті түрде катализатор. Редукция реакциясы субстратқа және катализатордың активтілігіне қарай әртүрлі температура мен қысымда жүзеге асырылады.
Қарым-қатынас немесе бәсекелестік реакциялар
Гидрогенациялау реакцияларында қолданылатын сол катализаторлар мен жағдайлар алкендердің цис-транс изомерленуіне де алып келуі мүмкін. Бұл процесс үлкен қызығушылық тудырады, себебі гидрогенациялау технологиясы тағамдық өнімдердегі транс майлардың көп бөлігін құрайды. Сутек қосылғанда байланыстар үзілетін реакция гидрогенолиз деп аталады, ол көміртек-көміртек және көміртек-гетероатомдық (оттегі, азот немесе галоген) байланыстарда жүруі мүмкін. Кейбір полярлық байланыстардың гидрогенациялануы гидрогенолизбен қатар жүреді.
Сутегі көздері
Сутекті суландыру үшін сутегінің ең қарапайым көзі – H2 газы, ол әдетте қысымды цилиндрде сақталып, коммерциялық түрде қолжетімді болады. Гидрогенация процесінде көбінесе 1 атмосферадан жоғары H2 қолданылады, ол әдетте цилиндрлерден беріледі және кейде "күшейткіш сорғылармен" толықтырылады. Газ тәрізді сутек көмірсутектерден бумен реформалау арқылы өндіріледі. Көптеген жағдайларда сутек, құмырсқа қышқылы, изопропанол және дигидроантрацен сияқты донор молекулалардан алынады. Бұл сутек донорлары тиісінше көмірқышқыл газына, ацетонға және антраценге дейін сутексізденеді. Мұндай процестер трансферлі гидрогенациялау деп аталады.
Катализаторлар
Сирек жағдайларды қоспағанда, |H2 металл катализаторлары болмағанда органикалық қосылыстармен реакцияға түспейді. Қанықпаған субстрат катализаторға химиялық адсорбцияланады, көбінесе оның беті субстратпен жабылады. Гетерогенді катализаторларда сутек беттік гидридтер (M H) түзеді, олардан сутектер адсорбцияланған субстратқа беріледі. Платина, палладий, родий және рутений жоғары белсенді катализаторлар болып табылады, олар төмен температурада және төмен |H2 қысымында жұмыс істейді. Қымбат емес металл катализаторлары, әсіресе никельге негізделгендері (мысалы, Рэни никелі және Урушибара никелі) экономикалық балама ретінде жасалған, бірақ олар көбінесе баяу әрекет етеді немесе жоғары температура талап етеді. Активтілік (реакция жылдамдығы) пен катализатордың құны және жоғары қысымды қолдануға қажетті құрал-жабдықтардың құны арасындағы айырмашылық бар. Рэни никелі катализделген гидрленулерге жоғары қысым қажет екенін ескеріңіз: Катализаторлар әдетте екі негізгі классқа бөлінеді: гомогенді және гетерогенді. Гомогенді катализаторлар қанықпаған субстратты қамтитын еріткіште ериді. Гетерогенді катализаторлар – субстратпен бір еріткіштегі суспензияланған немесе газ тәрізді субстратпен өңделген қатты заттар.
Catalysts are usually classified into two broad classes: homogeneous and heterogeneous. Homogeneous catalysts dissolve in the solvent that contains the unsaturated substrate. Heterogeneous catalysts are solids that are suspended in the same solvent with the substrate or are treated with gaseous substrate.
Біртекті катализаторлар
Кейбір белгілі біртекті катализаторлар төменде көрсетілген. Бұл координациялық кешендер, олар қанықпаған субстратты және H2 газын белсендіреді. Әдетте, бұл кешендерде платиналық металдар тобы, әсіресе Rh және Ir болады. Гомогенді катализаторлар прохиральды субстраттарды гидрогенациялау арқылы асимметриялық синтезде де қолданылады. Бұл тәсілдің алғашқы мысалы - L-DOPA дәрісінің прекурсорлары ретінде энамидтердің Rh катализделген гидрогенизациясы. Асимметриялық тотығуды қамтамасыз ету үшін, бұл катализаторлар хиральды дифосфин лигандтарын қолдану арқылы хиральды болады. Теориялық тұрғыда, асимметриялық гидрогенация хиральды гетерогенді катализаторлармен катализделгені мүмкін, бірақ бұл тәсіл пайдалы технологияға қарағанда көбінесе ғылыми қызығушылық тудырады.
Гетерогенді катализаторлар
Гетерогенді катализаторлар сутегілендіру үшін өнеркәсіпте көбірек қолданылады. Өнеркәсіпте, құнды металдарды сутегілендіру катализаторлары ерітіндіден ұсақ ұнтақ түрінде, арзан, көлемді, кеуекті, әдетте дөңгелек материалға – белсендірілген көміртек, алюминий тотығы, кальций карбонаты немесе барий сульфаты сияқты – жатқызылады. Мысалы, көміртектегі платина хлороплатинолық қышқылының көміртектегі жерінде редукциялану арқылы алынады. Бұл катализаторлардың мысалдары – белсендірілген көміртектегі 5% рутений немесе алюминий тотығындағы 1% платина. Раней никелі сияқты базалық металл катализаторлары әдетте әлдеқайда арзан және тіреуді қажет етпейді. Сондай-ақ, зертханада, құны жоғары болса да, платина қарасы сияқты тіреусіз (массивті) құнды металл катализаторлары қолданылады. Гомогенді катализаторлардағыдай, белсенділік металдың айналасындағы ортаның, яғни координациялық сфераның өзгеруі арқылы реттеледі. Мысалы, кристаллды гетерогенді катализатордың әртүрлі жақтары әртүрлі белсенділік көрсетеді. Бұл металдарды араластыру немесе әртүрлі дайындау техникаларын қолдану арқылы өзгертілуі мүмкін. Сол сияқты, гетерогенді катализаторларға олардың тіректері де әсер етеді. Көп жағдайда, жоғары эмпирикалық өзгерістер таңдамалы "улағыштарды" қамтиды. Осылайша, мұқият таңдалған катализатор кейбір функционалдық топтарды өзгелеріне әсер етпей сутегілендіру үшін қолданылуы мүмкін, мысалы, алкендерді хош иісті сақиналарға тиіспей сутегілендіру немесе Линдлар катализаторы арқылы алкиндерді алкендерге селективті сутегілендіру. Мысалы, палладий катализаторы барий сульфатына жатқызылып, содан кейін хинолинмен өңделгенде, алынған катализатор алкиндерді алкендерге дейін ғана тотықтырады. Фенил ацетиленді стиренге айналдыру үшін Линдлар катализаторы қолданылды.
Трансферттік гидрогенациялау
Трансферттік гидрогенациялау молекулалық H2 емес, басқа сутегі донор молекулаларын қолданады. Бұл "құрбандыққа шалынған" сутегі донорлары, реакция үшін еріткіш ретінде де қолданылуы мүмкін, гидразин, күміс қышқылы және изопропанол сияқты спирттерді қамтиды. Органикалық синтезде трансферттік гидрогенациялау кетондар, альдегидтер және иминдер сияқты полярлы қанықпаған субстраттардың асимметриялық гидрогенациясына хиральды катализаторларды пайдалану арқылы тиімді.
Электролитті гидрогенациялау
Полярлы субстраттар, мысалы, нитрилдер, протонды ерітінділерді және сутегінің көзі ретінде тотығу-тоқсыздану эквиваленттерін қолдана отырып, электрохимиялық жолмен сутектендірілуі мүмкін.
Өнеркәсіптік қолдану
Каталитикалық гидрогенациялаудың көптеген өнеркәсіптік қолданыстары бар. Көбінесе, өнеркәсіптік гидрогенациялау гетерогенді катализаторлармен жүзеге асырылады.
Мұнай-химия өнеркәсібі
Петрохимиялық процестерде сутектілік алкендер мен ароматтарды қаныққан алкандарға (парафиндер) және циклоалкандарға (нафтендер) айналдыру үшін қолданылады, олардың уыттылығы және реактивтілігі төмен. Ауада ұзақ сақталуы мүмкін сұйық отындарға қатысты, қаныққан көмірсутектер сақтау қасиеттері жағынан артықшылыққа ие. Алкендер гидропероксидтер түзеді, бұл отынмен жұмыс жасайтын жабдықтардың жұмысына кедергі келтіретін шайырлардың пайда болуына себеп болады. Мысалы, минералды терпентин көбінесе сутектендіріледі. Ауыр қалдықтарды дизель отынына гидрокрекинг арқылы өңдеу – тағы бір қолданыс. Изомеризация және каталитикалық реформалау процестерінде катализатор бетінде пайда болатын кокс сутекпен ыдыратылып, оның жинақталуына жол бермес үшін белгілі бір сутек қысымы сақталады.
Органикалық химия
Гидрогенациялау – қанықпаған қосылыстарды қаныққан туындыларға түрлендірудің тиімді әдісі. Субстраттарға алкендер мен алкиндер ғана емес, сонымен қатар альдегидтер, иминдер және нитрилдер жатады, олар сәйкес қаныққан қосылыстарға, яғни спирттер мен аминдерге айналады. Осылайша, көміртек монооксиді мен алкеннен оксо процесі арқылы синтезделген алкил альдегидтерін спирттерге түрлендіруге болады. Мысалы, пропиональдегидтен пропанол, ал пропиональдегид этилен мен көміртек монооксидінен алынады. Ксилитол – полиол, ол альдегид болып табылатын ксилоза қантының гидрогенациясы арқылы өндіріледі. Біріншілік аминдер нитрилдерді гидрогенациялау арқылы синтезделуі мүмкін, ал нитрилдер цианид пен сәйкес электрофилден оңай синтезделеді. Мысалы, полиуретан мономеры изофорон диизоцианатының прекурсоры – изофорон диамині, изофорон нитрилінен аммиакпен нитрилді сутектеу/редуктивті аминациялау арқылы жасалады, мұнда сутектеу нитрилді аминге, ал альдегид пен аммиактан түзілген иминді тағы бір аминге түрлендіреді.
Гетерогенді каталитикалық сутектеу
Ең алғашқы сутектілік – платина катализі арқылы сутегінің оттегіне қосылуы, бұл процеске 1823 жылы коммерциялық қолданыс тапқан Дёберейнер шамшарабында қолданылды. Француз химигі Поль Сабатье гидрогенация процесінің негізін қалаушы деп есептеледі. 1897 жылы, Джеймс Бойс атты американдық химиктің бұрынғы жұмыстарын пайдалана отырып, ол никельдің ізінің газ тәрізді көмірсутектердің молекулаларына сутегінің қосылуын катализдейтінін ашты, бұл қазір Сабатье процесі деп белгілі. Осы еңбегі үшін Сабатье 1912 жылы химия бойынша Нобель сыйлығын бөлісіп алды. Вильгельм Норманн 1902 жылы Германияда, ал 1903 жылы Ұлыбританияда сұйық майларды гидрогенизациялауға патент алды, бұл бүкіл әлемдік өнеркәсіптің бастауы болды. Маңызды коммерциялық Хабер-Бош процесі алғаш рет 1905 жылы сипатталды, ол азоттың сутектілігін қамтиды. 1922 жылы жарияланған Фишер-Тропш процесінде көмірден оңай алынатын көміртегі монооксиді сұйық отынға сутектендіріледі. 1922 жылы Вурхис және Адамс бір атмосферадан жоғары қысымда гидрогенациялауға арналған аппаратты сипаттады. Parr шайқағышы, жоғары қысым мен температураны қолдана отырып гидрогенациялауға мүмкіндік берген алғашқы өнім, 1926 жылы Вурхис пен Адамстың зерттеулеріне негізделген және бүгінгі күнге дейін кеңінен қолданылуда. 1924 жылы Мюррей Раней никельдің ұсақ ұнтақталған түрін жасады, ол нитрилдерді аминдерге айналдыру немесе маргарин өндірісі сияқты гидрогенация реакцияларын катализдейтін өте тиімді зат ретінде кеңінен қолданылады.
Біртекті каталитикалық сутектілік
1930 жылдары Кальвин мыс(II) кешендерінің H2-ні тотықтыратынын ашты. 1960 жылдары өтпелі металл кешендерін қолданатын, мысалы, Уилкинсон катализаторы (RhCl(PPh3)3) сияқты жақсы анықталған біртекті катализаторлардың дамуына куә болдық. Одан кейін катиондық Rh және Ir алькендер мен карбонилдердің гидрленуін катализдейтіні анықталды. 1970 жылдары L-DOPA синтезінде асимметриялық гидрлену көрсетілді, ал 1990 жылдары Нойори асимметриялық гидрленуі ойлап табылды. Біртекті гидрленудің дамуына 1930 және 1940 жылдары оксо-процесі және Циглер-Натта полимерленуі бойынша жүргізілген жұмыстар ықпал етті.
Металлсыз гидрогенаттау
Гидрогенациялау үшін көбінесе металл катализаторы қажет. Дегенмен, кейбір сутегі донорларынан катализаторсыз да гидрогенация жүзеге асуы мүмкін, мысалы димид пен алюминий изопропоксиді – соңғысы Meerwein–Ponndorf–Verley тотығу-тотықсыздану реакциясы арқылы көрсетіледі. Кейбір металлсыз катализдік жүйелер академиялық зерттеулерде қарастырылған. Кетонды тотықсызданудың бір мысалы – терт-бутанол мен калий терт-бутоксидінің және өте жоғары температураның қолданылуы. Төменде көрсетілген реакция бензофенонның гидрогенациясын сипаттайды: Химиялық кинетиканы зерттеу нәтижесінде бұл реакцияның барлық үш реагент бойынша бірінші реттік екені және циклдік 6 мүшелі белсенді жағдайға ие екені анықталды. Металлсыз гидрогенациялаудың тағы бір жүйесі фосфин боранына, 1-қосылысқа негізделген, ол «бөгеттелген Льюис жұбы» деп аталады. Ол салыстырмалы түрде төмен температурада дигидрогенді қайта қабылдап, кедергі келтірілген иминдерді тотықсыздауға қабілетті фосфоний боратын 2 құрайды. Фуллерен, оның моноанионы, атмосфералық сутегі және ультракүлгін сәулелену нитробензолдың анилинге тотықсыздануын катализдейтіні хабарланды.
A chemical kinetics study found this reaction is first order in all three reactants suggesting a cyclic 6 membered transition state. Another system for metal free hydrogenation is based on the phosphine borane, compound 1, which has been called a frustrated Lewis pair. It reversibly accepts dihydrogen at relatively low temperatures to form the phosphonium borate 2 which can reduce simple hindered imines. The reduction of nitrobenzene to aniline has been reported to be catalysed by fullerene, its mono anion, atmospheric hydrogen and UV light.
Атмосфералық жағдайда топтамалық суландыру
Гидрогендеудің бастапқы және әлі де оқу зертханаларында жиі қолданылатын түрі, бұл процесс әдетте азот немесе аргон газымен вакуумдалған, еріген реактиві бар дөңгелек түбі бар колбаға қатты катализатор қосылып, қоспа өткізгіш резеңке тығынмен жабылады. Содан кейін H2 газымен толтырылған шардан сутегі газы беріледі. Нәтижесіндегі үш фазалы қоспа жақсы араласу үшін қозғалтылады. Гидрогеннің сіңірілуін бақылауға болады, бұл гидрогендеу процесінің барысын қадағалау үшін пайдалы. Бұл түсті сұйықтық, әдетте сулы мыс сульфаты немесе әрбір реакциялық ыдысқа арналған манометрлерді пайдалану арқылы жүзеге асырылады.
Жоғары температурада және/немесе қысымда гидрогенациялау
Көптеген сутектендіру реакциялары, мысалы, қорғаушы топтардың сутекпен бөлінуі және ароматикалық жүйелердің тотығуын азайту, атмосфералық температура және қысымда өте жай жүреді, сондықтан жоғары қысымдағы жүйелер жиі қолданылады. Мұндай жағдайларда, катализатор инерт атмосферадағы реактивтің ерітіндісіне қысымды ыдысқа қосылады. Сутек тікелей баллондан немесе зертханада жасалған сутек көзінен беріледі, ал қысым астындағы суспензия механикалық түрде шайқау арқылы немесе айналмалы себет пайдаланылып араластырылады.