Organische Chemie II

Da diese Reaktion auf einer ebenen Oberfläche stattfindet, erfolgt die Addition des Wasserstoffs auf der gleichen Seite der Doppelbindung – eine Synaddition, mit anderen Worten. Bei der katalytischen Hydrierung von 1,2-Dimethylcyclopentan entsteht beispielsweise das cis-Produkt Dimethylcycloalkan und nur wenig oder gar kein trans-Produkt.

Konkurrierende Reaktionen

Andere Doppelbindungen wie C=O können ebenfalls hydriert werden, aber diese Reduktion verläuft in der Regel langsamer als bei der Hydrierung von Alkenen. Diese Tatsache kann bei der Durchführung selektiver Reaktionen genutzt werden. So kann beispielsweise die Hydrierung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung ohne gleichzeitige Reduktion einer Carbonylbindung im selben Molekül erfolgen. So kann zum Beispiel die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung des folgenden Aldehyds selektiv reduziert werden:

Gängige Anwendungen

Hydrierungsreaktionen werden in großem Umfang zur Herstellung von Handelswaren eingesetzt. In der Lebensmittelindustrie wird die Hydrierung eingesetzt, um aus flüssigen Ölen eine Vielzahl von Fertigprodukten wie Brotaufstriche und Backfette herzustellen. Dieses Verfahren erhöht auch die chemische Stabilität der Produkte und führt zu halbfesten Produkten wie Margarine. Die Hydrierung wird auch in der Kohleverarbeitung eingesetzt. Feste Kohle wird durch die Zugabe von Wasserstoff in eine Flüssigkeit umgewandelt. Durch die Verflüssigung der Kohle wird sie als Brennstoff nutzbar gemacht.

Transfette

Die katalytische Hydrierung von Alkenen ist derzeit ein heißes Thema in der Lebensmittelchemie. Margarine wird durch partielle Hydrierung von Doppelbindungen der ungesättigten Fettsäuren in flüssigen Pflanzenölen hergestellt, in der Regel mit einem Nickelkatalysator. Eine vollständige Hydrierung würde vollständig gesättigte Fettsäuren ergeben und zu einem schmalzähnlichen Produkt führen, das zu hart ist, um es auf Toast zu streichen. Daher werden die Bedingungen so angepasst, dass nur ein Teil der Doppelbindungen hydriert wird, während andere an Ort und Stelle verbleiben, was zu einem weichen und streichfähigen Produkt führt. Dieser Vorgang wird als partielle Hydrierung bezeichnet. (Mehr über die chemischen Grundlagen der Beziehung zwischen Lipidsättigung und Schmelzpunkt erfahren Sie in Soderbergs Buch, Abschnitt 2.4D).

In letzter Zeit sind die Wissenschaftler jedoch zunehmend besorgt über das Vorhandensein unnatürlicher Fettsäuren in Margarine und anderen Lebensmitteln, die aus teilweise hydrierten Ölen hergestellt werden. Natürliche ungesättigte Fettsäuren haben hauptsächlich cis-Doppelbindungen. Bei den unnatürlichen Fettsäuren in Margarine ist die natürlich vorkommende cis-Stereochemie in trans umgewandelt worden. Trans-Fettsäuren werden mit Herzkrankheiten und einigen Formen von Krebs in Verbindung gebracht.

Es scheint, dass diese unnatürlichen trans-Fettsäure-Isomere unbeabsichtigt durch den Hydrierungsprozess entstehen. Das Problem besteht darin, dass es keine Kontrolle über die Regiochemie oder Stereochemie der umgekehrten (Dehydrierungs-)Reaktion gibt. Da nur eine begrenzte Menge Wasserstoff verwendet wird, um eine partielle (und nicht eine vollständige) Hydrierung zu erreichen, ist der Prozess reversibel, was bedeutet, dass sich die Doppelbindungen tendenziell wieder bilden – und wenn sie das tun, dann oft in der energieärmeren trans-Konfiguration und nicht in der natürlichen cis-Konfiguration. Die folgende Abbildung zeigt die partielle Hydrierung eines Linolsäure-Kohlenwasserstoffs mit einem Nickelkatalysator, wobei Ölsäure, das gewünschte cis-ungesättigte Produkt, und Elaidinsäure, das unerwünschte trans-Fettprodukt, entstehen.

Food producers are increasingly adopting alternative hydrogenation technologies and production strategies in order to offer products that are free of trans fatty acids. (See J. Am. Diet. Assoc. 2006, 106, 867 for a detailed review of this topic).