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Idrogenazione catalitica

  |   Chimica, Chimica Organica

L’ idrogenazione catalitica è un tipo di reazione che prevede la reazione di idrogeno gassoso con una specie in presenza di un opportuno catalizzatore.

A seconda della specie reagente si possono verificare la rottura di doppi e tripli legami presenti rispettivamente negli alcheni e negli alchini o una reazione di riduzione come nel caso di aldeidi e chetoni in alcol.

L’idrogenazione costituisce una reazione fondamentale nell’ambito dell’industria petrolchimica in quanto nel petrolio greggio sono presenti molti composti insaturi di scarso utilizzo.

Nel campo dell’industria alimentare l’idrogenazione viene usata per convertire i grassi polinsaturi per saturare parzialmente i doppi legami convertendo gli oli vegetali in grassi solidi come quelli che sono presenti nella margarina.

Catalizzatori

Le reazioni di idrogenazione catalitica sono realizzate generalmente in fase eterogenea; vengono effettuate in presenza di catalizzatore in quanto pur essendo in genere favorite da un punto di vista termodinamico non lo sono da un punto di vista cinetico stante la forza del legame tra i due atomi di idrogeno presenti nella molecola di H2.

Per accelerare il decorso della reazione o si deve operare ad elevate temperature o si può usare un catalizzatore come

sebbene quest’ultimo catalizzatore richieda, rispetto ai precedenti, pressioni più elevate.

Più raramente può essere usato iridiorame e renio.

Le caratteristiche che deve presentare un catalizzatore eterogeneo sono: elevata attività, alta selettività, possibilità di riciclo. L’attività e la selettività dipendono dalla scelta del metallo che influenza la forza di adsorbimento dei reagenti, la velocità di desorbimento dei prodotti di reazione e la velocità delle trasformazioni chimiche.

I catalizzatori eterogenei possono essere supportati ovvero dispersi in forma di nanoparticelle su supporti porosi come carbone attivo, allumina, silice-allumina, carburo di silicio, carbonato di calciosolfato di bario.

I catalizzatori eterogenei trovano applicazione in una vasta gamma di reazioni a seconda del metallo usato; ad esempio catalizzatori di palladio supportati vengono utilizzati nella riduzione dei legami multipli carbonio-carbonio, mentre quelli di rodio per la riduzione di composti aromatici, quelli al rutenio per la riduzione oltre che di composti aromatici anche per la riduzione del gruppo gruppo carbonilico e gruppo carbossilico.

I catalizzatori supportati presentano alcuni vantaggi tra cui la facilità di separazione dal mezzo di reazione e un uso più efficace della superficie metallica. Il metallo è infatti generalmente depositato sotto forma di nanoparticelle che consentono l’aumento della superficie di contatto.

Applicazioni

Nelle applicazioni industriali quando è effettuata un’idrogenazione si presenta un problema di selettività. Il prodotto di reazione desiderato, infatti, è solo uno dei possibili prodotti che si possono ottenere a seguito della stessa.

La velocità di formazione dei vari prodotti possibili dipende da alcuni parametri quali la:

  • temperatura
  • pressione
  • concentrazione dei reagenti
  • quantità di catalizzatore

ed è quindi necessario ottimizzare tali parametri per ottenere un’alta resa di reazione.

Ad esempio nell’idrogenazione catalitica  del benzene catalizzata dal rodio in cui sono presenti il cloro e il nitrogruppo elevate pressioni favoriscono la riduzione selettiva del nitrogruppo mentre a basse pressioni viene favorita l’idrogenolisi del legame carbonio-cloro.

I solventi sono una componente importante ma non indispensabile nell’idrogenazione catalitica eterogenea. Un substrato liquido può infatti essere idrogenato in assenza di solvente, anche se i solventi sono utili in quanto influenzano fortemente la velocità di reazione e la selettività e fungono da dissipatori di calore.

L’idrogenazione può essere effettuata in una varietà di solventi, da acqua a  solventi organici non polari. Reazioni di idrogenazione catalizzate da metalli del gruppo del platino può essere effettuata in acqua, alcoli,tetraidrofurano (THF), acetato di etile o più raramente dimetilformammide (DMF), acetone, eteri o esano.

L’idrogenazione catalitica eterogenea è un processo che può essere pericoloso in quanto l’idrogeno, a contatto con l’aria può formare una miscela esplosiva. Inoltre il catalizzatore, specie quando è esaurito diventa piroforico. Occorre pertanto effettuare uno studio cinetico e termodinamico della reazione considerando anche le possibili reazioni collaterali, isolare possibili fonti che possano generare combustione, evitare l’accumulo di reagenti la cui alta concentrazione potrebbe causare reazioni incontrollate.

Le reazioni di idrogenazione catalitiche sono in genere processi a costi relativamente contenuti in quanto il catalizzatore metallico può essere spesso recuperato.

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