Organische Scheikunde II

Omdat deze reactie op een vlak oppervlak plaatsvindt, vindt de toevoeging van waterstof aan hetzelfde vlak van de dubbele binding plaats – een syn-additie, met andere woorden. De katalytische hydrogenering van 1,2-dimethylcyclopentaan levert bijvoorbeeld het cis-product dimethylcycloalkaan op, met weinig of geen vorming van een trans-product.

Competerende reacties

Andere dubbele bindingen, zoals C=O, kunnen ook worden gehydrogeneerd, maar deze reductie verloopt meestal langzamer dan bij hydrogenering van alkenen. Dit feit kan in het voordeel worden gebruikt om selectieve reacties uit te voeren. Zo kan bijvoorbeeld hydrogenering van een dubbele koolstof-koolstofbinding worden bereikt zonder gelijktijdige reductie van een carbonylbinding in hetzelfde molecuul. Zo kan bijvoorbeeld de dubbele koolstof-koolstofbinding van het volgende aldehyde selectief worden gereduceerd:

Gemeenschappelijke toepassingen

Hydrogeneringsreacties worden op grote schaal gebruikt om handelsgoederen te maken. In de levensmiddelenindustrie wordt hydrogenering gebruikt om van vloeibare oliën een grote verscheidenheid aan producten te maken, zoals broodbeleg en shortenings. Dit proces verhoogt ook de chemische stabiliteit van producten en levert halfvaste producten zoals margarine op. Hydrogenering wordt ook gebruikt bij de verwerking van steenkool. Vaste steenkool wordt vloeibaar gemaakt door waterstof toe te voegen. Het vloeibaar maken van steenkool maakt het beschikbaar voor gebruik als brandstof.

Transvetten

Katalytische hydrogenering van alkenen is momenteel een hot topic in de voedingsmiddelenchemie. Margarine wordt geproduceerd door gedeeltelijke hydrogenering van dubbele bindingen in de onverzadigde vetzuren in vloeibare plantaardige oliën, meestal met een nikkelkatalysator. Volledige hydrogenering zou volledig verzadigde vetzuren opleveren en leiden tot een reuzelachtig product dat te hard is om op toast te smeren, dus worden de omstandigheden aangepast om ervoor te zorgen dat slechts enkele van de dubbele bindingen worden gehydrogeneerd terwijl andere blijven zitten, wat resulteert in een zacht en smeerbaar product. Dit proces wordt gedeeltelijke hydrogenering genoemd. (U kunt meer te weten komen over de chemische basis van de relatie tussen lipideverzadiging en smeltpunt in Soderbergs boek, paragraaf 2.4D).

De laatste tijd maken wetenschappers zich echter steeds meer zorgen over de aanwezigheid van onnatuurlijke vetzuren in margarine en andere voedingsmiddelen die van gedeeltelijk gehydrogeneerde oliën zijn gemaakt. Natuurlijke onverzadigde vetzuren hebben voornamelijk dubbele cis-bindingen. In de onnatuurlijke vetzuren die in margarines worden aangetroffen, is de van nature voorkomende cis-stereochemie omgezet in trans. Transvetzuren worden in verband gebracht met hartziekten en sommige vormen van kanker.

Het lijkt erop dat deze onnatuurlijke transvetzuureisomeren onbedoeld worden geproduceerd door het hydrogeneringsproces. Het probleem is dat er geen controle is over de regiochemie of stereochemie van de omgekeerde (dehydrogenatie) reactie. Omdat slechts een beperkte hoeveelheid waterstof wordt gebruikt om een gedeeltelijke (in plaats van volledige) hydrogenering tot stand te brengen, is het proces omkeerbaar, wat betekent dat dubbele bindingen de neiging hebben zich opnieuw te vormen – en wanneer dat gebeurt, is dat vaak in de trans-configuratie, die minder energie kost, in plaats van de natuurlijke cis-configuratie. Onderstaande figuur toont de gedeeltelijke hydrogenering van een linolzuur koolwaterstof met een nikkelkatalysator, wat resulteert in oliezuur, het gewenste cis-onverzadigde product, en elaëdinezuur, het ongewenste transvetproduct.

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).