Die Hydrierung von Alkenen ^{Q1, Q2}

Addition von H₂ an Alkene

Die denkbar einfachste elektrophile Addition ist sicherlich die Addition von elementarem Wasserstoff an die C=C-Doppelbindung, die sogenannte Hydrierung (nicht zu verwechseln mit der Hydratisierung, der Addition von Wasser).

Die Addition von Wasserstoff an ein Alken führt allgemein zu dem entsprechenden Alkan; aus Buten wird zum Beispiel Butan.

Die Hydrierung wird oft für Analysen eingesetzt; sie verläuft unter bestimmten Bedingungen quantitativ (d.h. der eingesetzte Wasserstoff wird vollständig an die Doppelbindungen angelagert, es bleibt keine Doppelbindung verschont), daher kann man auf diese Weise leicht die Zahl der Doppelbindungen in einem organischen Molekül bestimmen. So kann man zum Beispiel herausbekommen, wie viele Doppelbindungen eine ungesättigte Fettsäure enthält. Andererseits kann man für bestimmte Synthesen eine Hydrierung aber auch so durchführen, dass nur bestimmte C=C-Doppelbindungen hydriert werden.

Bei den quantitativen Analysen kann man entweder das Volumen des verbrauchten Wasserstoffs messen oder die bei der Hydrierung freigesetzte Wärme, die sogenannte Hydrierungswärme. Die Hydrierung ist eine exotherme Reaktion, wie wir bereits auf der Hauptseite unter 6.2.1 nachgewiesen hatten.

Hydrierungsenthalpien

Obwohl die Hydrierungen exotherm verlaufen, heißt das noch lange nicht, dass sie bei Zimmertemperatur auch freiwillig und spontan ablaufen. Man kann ein Alken und Wasserstoff bei Zimmertemperatur über Jahre aufbewahren, ohne das etwas passiert. Die Aktivierungsenergie für die Reaktion ist einfach zu hoch für eine spontane Umsetzung. Selbst bei höheren Temperaturen wie 200 ºC kommt die Reaktion noch nicht in Gang.

Es werden also spezielle Katalysatoren benötigt, welche die Aktivierungsenergie stark absenken. Dann kann man die Hydrierung sogar bei Raumtemperatur durchführen. Bei dieser Katalyse unterscheidet man heterogene und homogene Katalyse.

Heterogene Katalyse

Die heterogene Katalyse ist das ältere Verfahren. Als Katalysator verwendet man Platin, Palladium oder Nickel ^[1] auf Aktivkohle ^[2]. Hydriert man auf diese Weise ein zyklisches Alken wie zum Beispiel Cyclohexen, so stellt man fest, dass die Hydrierung immer eine syn-Addition ist. Das heißt, die beiden H-Atome werden auf der gleichen Seite der Doppelbindung addiert, so dass ein cis-Produkt entsteht.

Ursache für diese syn-Addition ist die Art und Weise, wie der Katalysator arbeitet:

Hydrierung einer C=C Doppelbindung auf einer Katalysatoroberfläche
Autor: Ulrich Helmich 05/2023, Lizenz: Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

1. Das H₂-Molekül wird von dem Katalysator auf seiner Oberfläche gebunden, die H-H-Bindung wird dabei gespalten, so dass zwei einzelne H-Atome gebunden sind.
2. Das Alken wird über die pi-Elektronen der C=C-Doppelbindung ebenfalls auf der Katalysatoroberfläche gebunden.
3. Dann wird zunächst eines der beiden H-Atome an eines der beiden C-Atome gebunden. Die Doppelbindung des Alkens wird dabei gespalten, das einsame Elektron des zweiten C-Atoms bildet eine Bindung zur Katalysatoroberfläche aus.
4. Erst im nächsten Schritt wird das andere H-Atom von dem anderen C-Atom gebunden. Dabei wird das entstandene Reaktionsprodukt wieder freigesetzt.

Das ist aber wie bereits gesagt eine sehr stark vereinfachte Darstellung. Eine etwas genauere Darstellung findet sich auf der Seite "Die Platingruppe" der Universität Bayreuth unter dem Abschnitt 1.2 Katalyse.

Homogene Katalyse

Dieses Verfahren ist moderner als die heterogene Katalyse, und es arbeitet viel selektiver ^[1]. Die Katalysatoren sind organische Komplexe von Übergangsmetallen wie Rhodium oder Iridium. Das bekannteste Beispiel ist der Wilkinson-Katalysator ^[4]. Ein Rhodium-Atom ist von drei Phosphor-Atomen und einem Chlor-Atom umgeben. Jedes Phosphor-Atom ist seinerseits mit drei Phenylgruppen (Benzolringen) verbunden. Daher die gewaltige Summenformel C₅₄H₄₅ClP₃Rh.

Auf den komplexen Katalyse-Mechanismus gehe ich hier nicht weiter ein (siehe Wikipedia-Artikel). Interessant ist hierbei aber, dass man mit diesem Katalysator ganz gezielt endständige C=C-Doppelbindungen hydrieren kann.

Die organischen Katalysatoren lassen sich leicht in organischen Lösemitteln lösen. Nach vollendeter Hydrierung gibt es dann oft das Problem, den Katalysator vom Endprodukt und vom Lösemittel wieder abzutrennen. Die Lösung dieses Problems führt dann doch wieder zu einer Art heterogener Katalyse: Der organische Katalysator wird an ein Polymer gebunden. Am Ende wird dieses Polymer mit dem Katalysator dann einfach abfiltriert ^[1].