Hidrogénezés forrásának megtekintése

[[Fájl:Hydrogenation_on_catalyst.png|bélyegkép|A C=C kettős kötés hidrogénezésének lépései a katalizátor – például Ni vagy Pt – felületén:<br />
(1) A reaktánsok [[Adszorpció|adszorbeálódnak]] a katalizátor felületén, a H<sub>2</sub> disszociál.<br />
(2) Az egyik C atomhoz egy H atom kapcsolódik. A másik C atom még mindig a felülethez kötődik.<br />
(3) A második C atom egy H atomhoz kapcsolódik. A molekula elhagyja a felületet.]]
A '''hidrogénezés''' – [[hidrogén]]nel történő kezelés – a molekuláris hidrogén (H<sub>2</sub>), valamint egy másik vegyület vagy elem között – általában [[katalizátor]], például [[nikkel]], [[palládium]] vagy [[platina]] jelenlétében – végbemenő [[kémiai reakció]]. Ezt a reakciót gyakran alkalmazzák [[szerves vegyület]]ek redukálásra vagy telítésére. A folyamat során jellemzően két hidrogénatom épül be a molekulába, ez utóbbi gyakorta valamilyen [[Alkének|alkén]]. A reakció gyakorlati hasznosításához katalizátorok szükségesek, nem katalitikus hidrogénezés csak nagyon magas hőmérsékleten játszódik le. A hidrogénezés redukálja a szénhidrogének [[Kettős kötés|kettős]] és [[hármas kötés]]eit.<ref>{{cite book|last=Hudlický|first=Miloš|title=Reductions in Organic Chemistry|publisher=[[American Chemical Society]]|year=1996|location=Washington, D.C.|pages=429|isbn=0-8412-3344-6}}</ref>

== A folyamat ==
A hidrogénezési reakcióhoz három anyag szükséges: a telítetlen szubsztrát, a hidrogén (vagy hidrogénforrás), és minden esetben szükséges katalizátor is.
A [[Redoxireakció|redukció]]s reakció a szubsztráttól és a katalizátor aktivitásától függően különböző hőmérsékletet és nyomást igényel.

=== Rokon vagy versengő reakciók ===
A hidrogénezéshez felhasznált katalizátor és reakciókörülmények a ''cisz''-alkének ''transz''-alkénné történő izomerizációjához is vezethetnek. Ennek azért nagy a jelentősége, mert az élelmiszerekben a legtöbb [[Transz-zsírsavak|transz-zsírsavat]] a hidrogénezési eljárások hozzák létre (lásd alább). A kötéshasadással együtt járó hidrogénaddíciós reakciókat hidrogenolízisnek nevezzük. A hasítás bekövetkezhet szén–szén vagy szén–heteroatom (oxigén, nitrogén vagy halogén) kötésnél. A poláris kötések hidrogénezését némely esetben hidrogenolízés is kísérheti.

=== A hidrogén forrása ===
A hidrogénezéshez az egyik lehetséges hidrogénforrás maga a hidrogéngáz (H<sub>2</sub>), amely kereskedelmi forgalomban általában gázpalackban kapható. A hidrogénezés folyamata során gyakran 1 atmoszféránál nagyobb H<sub>2</sub> nyomást használnak, ezt a gázpalackból nyerik, esetenként gázpumpát is használnak. A gáz halmazállapotú hidrogént iparilag szénhidrogénekből állítják elő a gőzreformálás során.<ref name=Rylander>Paul N. Rylander, "Hydrogenation and Dehydrogenation" in ''Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry'', Wiley-VCH, Weinheim, 2005. {{DOI|10.1002/14356007.a13_487}}</ref> A hidrogén számos esetben donormolekulából – például hangyasav, izopropanol, dihidroantracén – származik, amely a folyamat során dehidrogéneződik (és az előbbi példákból rendre szén-dioxid, aceton és antracén keletkezik). Ez a folyamat a transzferhidrogénezés.

=== Szubsztrátok ===
Az alkének és alkinek – mind homogén, mind heterogén katalízissel történő – hidrogénezésének fontos sajátsága, hogy a hidrogén addíciója „szin addíció”, melynek során a hidrogén a legkevésbé gátolt irányból lép be a molekulába.<ref>''Advanced Organic Chemistry'' Jerry March 2nd Edition</ref> Ilyen reakció számos különböző [[funkciós csoport]]tal végbemehet.

{| class="wikitable toccolours" style="margin-bottom: 58px;"
|+A hidrogénezés szubsztrátjai és termékei
!Szubsztrát
!Termék
!Megjegyzés
!Hidrogénezési hő (kJ/mol)<ref>Scott D. Barnicki "Synthetic Organic Chemicals" in Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology edited by James A. Kent, New York : Springer, 2012. 12th ed. {{ISBN|978-1-4614-4259-2}}.</ref>
|-
| align="center" |R<sub>2</sub>C=CR'<sub>2</sub><br />([[Alkének|alkén]])
| align="center" |R<sub>2</sub>CHCHR'<sub>2</sub><br />(alkán)
| align="center" |jelentős alkalmazása a [[margarin]]készítés
| align="center" |−90 és −130 között
|-
| align="center" |RC≡CR'<br />([[Alkinek|alkin]])
| align="center" |RCH<sub>2</sub>CH<sub>2</sub>R'<br />(alkán)
| align="center" |részleges hidrogénezéssel ''cisz''-RHC=CHR' keletkezik<br />
| align="center" |−300<br />(teljes hidrogénezéskor)
|-
| align="center" |RCHO<br />([[aldehid]])
| align="center" |RCH<sub>2</sub>OH<br />(primer alkohol)
| align="center" |gyakran transzferhidrogénezéssel végzik
| align="center" |−60 és −65 között
|-
| align="center" |R<sub>2</sub>CO<br />([[keton]])
| align="center" |R<sub>2</sub>CHOH<br />(szekunder alkohol)
| align="center" |gyakran transzferhidrogénezéssel végzik
| align="center" |−60 és −65 között
|-
| align="center" |RCO<sub>2</sub>R'<br />([[Észterek|észter]])
| align="center" |RCH<sub>2</sub>OH + R'OH<br />(két alkohol)
| align="center" |zsíralkoholok gyártására gyakran használják
| align="center" |−25 és −105 között
|-
| align="center" |RCO<sub>2</sub>H<br />([[Karbonsavak|karbonsav]])
| align="center" |RCH<sub>2</sub>OH<br />(primer alkohol)
| align="center" |zsíralkoholok gyártásához
| align="center" |−25 és −75 között
|-
| align="center" |RNO<sub>2</sub><br />([[Nitrovegyületek|nitro]])
| align="center" |RNH<sub>2</sub><br />(amin)
| align="center" |fő alkalmazása az [[anilin]]gyártás<ref>{{cite journal | year = 2000 | title = Hydrogenation of nitrobenzene using polymer bound Ru(III) complexes as catalyst | url = | journal = Ind. Jr. of Chem. Tech. | volume = 7 | issue = | page = 280 }}</ref><ref>{{cite journal | last1 = Patel | first1 = D. R. | year = 1998 | title = Hydrogenation of nitrobenzene using polymer anchored Pd(II) complexes as catalyst | url = | journal = Journal of Molecular Catalysis | volume = 130 | issue = | page = 57 | doi=10.1016/s1381-1169(97)00197-0}}</ref>
| align="center" |−550
|}
=== Katalizátorok ===
Ritka kivételektől eltekintve fémkatalizátorok hiányában a H<sub>2</sub> nem reagál a szerves vegyületekkel. A telítetlen szubsztrát kemiszorbeál a katalizátoron, annak felületét nagyrészt beborítva. A heterogén katalizátorokkal a hidrogén felületi hidrideket (M−H) képez, amelyből a hidrogén átvihető a kemiszorbeált szubsztrátra. A platina, palládium, ródium és ruténium rendkívül aktív katalizátorok, amelyek már alacsonyabb hőmérsékleten és kisebb H<sub>2</sub> nyomáson működnek. Gazdaságosabb alternatívaként nemesfém helyett más, főként nikkel alapú katalizátorokat is kifejlesztettek (ilyen például a Raney-nikkel és az Urushibara-nikkel), de ezekkel a reakció gyakran lassabban megy végbe vagy magasabb hőmérsékletet igényel: kompromisszumot kell kötni az aktivitás (a reakció sebessége) és a katalizátor, valamint a nagy nyomást igénylő készülék költsége között. Vegyük észre, hogy a Raney-nikkellel katalizált hidrogénezési reakció nagy nyomást igényel.<ref>{{OrgSynth|author=C. F. H. Allen and James VanAllan|title=m-Toylybenzylamine|collvol=3|collvolpages=827|year=1955 |prep=CV3P0827}}</ref><ref>{{OrgSynth|author=A. B. Mekler, S. Ramachandran, S. Swaminathan, and Melvin S. Newman|title=2-Methyl-1,3-Cyclohexanedione|collvol=5|collvolpages=743|year=1973|prep=CV5P0743}}</ref>

A katalizátorokat általában két nagy osztályba sorolják: homogén katalizátorok és [[Heterogén katalízis|heterogén katalizátorok]]. A homogén katalizátorok oldódnak a telítetlen szubsztrátot tartalmazó oldószerben. A heterogén katalizátorok szilárd anyagok, amelyeket a szubsztrát oldószerében szuszpendálnak vagy a gáz halmazállapotú szubsztráttal hozznak érintkezésbe.

==== Homogén katalizátorok ====
Az alábbiakban néhány jól ismert homogén katalizátort sorolunk fel. Ezek olyan koordinációs komplexek, amelyek mind a telítetlen szubsztrátot, mind a H<sub>2</sub>-t aktiválják. Ezek legjellemzőbben platinacsoportbeli fémek, elsősorban Rh és Ir komplexei.
<gallery caption="A homogén fázisú hidrogénezés katalizátorai és azok prekurzorai" widths="180px" heights="120px">
File:Dichlorotris(triphenylphosphine)ruthenium(II).png|A diklórtrisz(trifenilfoszfin)ruténium(II) ruténium alapú prekatalizátor
File:Crabtree.svg|A Crabtree-katalizátor nagy aktivitású, irídiumot tartalmazó katalizátor
File:Cyclooctadiene-rhodium-chloride-dimer-2D-skeletal.png|A Rh<sub>2</sub>Cl<sub>2</sub>(cod)<sub>2</sub> több homogén fázisú katalizátor prekurzora
File:(S)-iPr-PHOX.svg|A (S)-iPr-PHOX jellegzetes, az aszimmetriás hidrogénezési reakciókban használatos kelátképző foszfin ligandum
</gallery>
{{-|balra}}
[[Fájl:RevisedCatCycle.png|jobbra|bélyegkép|A propilén hidrogénezése Wilkinson-katalizátorral]]

Homogén katalizátorokat az aszimmetriás szintézisekben is alkalmaznak, a prokirális szubsztrátok hidrogénezésekor. Ezen eljárás egy korai megvalósítása volt az enamid prekurzorok Rh-katalizátorok mellett történő hidrogénezése, mellyel az L-DOPA gyógyszerhatóanyagot nyerték.<ref>{{cite journal|last1=Knowles|first1=W. S.|title=Application of organometallic catalysis to the commercial production of L-DOPA|url=https://archive.org/details/sim_journal-of-chemical-education_1986-03_63_3/page/222|journal=Journal of Chemical Education|date=March 1986|volume=63|issue=3|pages=222|doi=10.1021/ed063p222|bibcode=1986JChEd..63..222K}}</ref> Az aszimmetriás redukciót úgy érték el, hogy a katalizátort előtte difoszfin ligandumokkal királissá tették.<ref name="Textbook" /> Az S-metolaklór nevű herbicid előállítását is ródium katalizátoros, úgynevezett Josiphos ligandummal (kereskedelmi néven Xyliphos) történő hidrogénezéssel végzik.<ref>{{cite journal|last1=Blaser|first1=Hans-Ulrich|last2=Pugin|first2=Benoît|last3=Spindler|first3=Felix|last4=Thommen|first4=Marc|title=From a Chiral Switch to a Ligand Portfolio for Asymmetric Catalysis|journal=Accounts of Chemical Research|date=December 2007|volume=40|issue=12|pages=1240–1250|doi=10.1021/ar7001057}}</ref> Elméletileg az aszimmetriás hidrogénezéshez királis heterogén katalizátor is alkalmazható,<ref name=Mallet>{{cite journal | doi = 10.1021/cr0683663 | title = Asymmetric Catalysis at Chiral Metal Surfaces | year = 2007 | last1 = Mallat | first1 = T. | last2 = Orglmeister | first2 = E. | last3 = Baiker | first3 = A. | journal = Chemical Reviews | volume = 107 | issue = 11 | pages = 4863–90 | pmid = 17927256}}</ref> de ez a lehetőség inkább csak érdekesség, semmint valós technológia.

==== Heterogén katalizátorok ====
Az ipari hidrogénezési reakcióknál gyakoribbak a heterogén katalizátorok. Az iparban a drága, főként nemesfém hidrogénező katalizátorokat oldatból leválasztott finom por formájában viszik fel a hordozóra, amely olcsó, porózus, többnyire szemcsés anyag, például [[aktív szén]], [[alumínium-oxid]], [[kalcium-karbonát]] vagy [[bárium-szulfát]].<ref>{{cite web|url=https://www.alfa.com/en/platinum-heterogeneous-catalysts/|title=Platinum Heterogeneous Catalysts - Alfa Aesar|author=|date=|website=www.alfa.com|accessdate=28 April 2018|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180118181608/https://www.alfa.com/en/platinum-heterogeneous-catalysts/|archivedate=18 January 2018|df=}}</ref> Például a platina/szén katalizátor úgy készül, hogy a hexakloro-platina(IV)-savat szénen ''in situ'' redukálják. Ilyen katalizátor például az 5% ruténiumot tartalmazó aktív szén vagy 1% platina alumínium-oxidon. A közönséges fémből készült katalizátorok – például a Raney-nikkel – jellemzően sokkal olcsóbbak, és hordozó sem szükséges hozzájuk. A laboratóriumban – magas áruk ellenére – még mindig használnak hordozó nélküli (nagy tömegű) nemesfém katalizátorokat – például platinakormot – is.

Mint a homogén katalizátoroknál is, az aktivitást a fém környezetének – a koordinációs szférának – a módosításával érik el. A kristályos heterogén katalizátorok különböző lapjai például különböző aktivitást mutatnak, ami például különböző fémek összekeverésével vagy más elkészítési eljárással módosítható. Hasonló módon a heterogén katalizátorok viselkedését is befolyásolja a hordozó.

Sok esetben – tapasztalati úton kikísérletezve – szelektív „mérgezéssel” módosítanak a katalizátoron. Gondosan megválasztott katalizátorral így elérhető, hogy a hidrogénezés csak bizonyos funkciós csoportokat redukáljon, másokat pedig ne: például hogy csak az alkénfunkció hidrogéneződjön, az aromás gyűrű maradjon érintetlenül, de ilyen az alkinek Lindlar-katalizátorral történő szelektív hidrogénezése is. Ha például [[palládium]] katalizátort [[bárium-szulfát]]ra viszünk, majd azt [[kinolin]]nal kezeljük, akkor az így kapott katalizátor az alkineket csak alkénekig redukálja. A Lindlar-katalizátor segítségével fenilacetilénből [[sztirol]] állítható elő.<ref>{{OrgSynth|author=H. Lindlar and R. Dubuis|title=Palladium Catalyst for Partial Reduction of Acetylenes|collvol=5|collvolpages=880|year=1973|prep=CV5P0880}}</ref>

<gallery caption="Példák hidrogénezési reakciókra" widths="162px" heights="110px">
File:CarvoneH2.png|A karvon kevésbé gátolt alkéncsoportjának szelektív hidrogénezése homogén katalizátorral (Wilkinson-katalizátorral)<ref>{{OrgSynth|author=S. Robert E. Ireland and P. Bey|title=Homogeneous Catalytic Hydrogenation: Dihydrocarvone|collvol=6|collvolpages=459|year=1988|prep=CV6P0459}}</ref>
File:PhC2HH2.png|A [[fenilacetilén]] részleges hidrogénezése [[Lindlar-katalizátor]]ral
File:ImineH2.png|Imin hidrogénezése a gyakran használt Raney-nikkel heterogén katalizátorral
File:ResorcinolH2.png|Rezorcin származék részleges hidrogénezése Raney-nikkel katalizátorral
File:SuccPdH2.png|[[Borostyánkősav]] előállítása [[maleinsav]] hidrogénezésével<ref>{{cite journal | last1 = Amoa | first1 = Kwesi | year = 2007 | title = Catalytic Hydrogenation of Maleic Acid at Moderate Pressures A Laboratory Demonstration | url =https://archive.org/details/sim_journal-of-chemical-education_2007-12_84_12/page/1948| journal = [[Journal of Chemical Education]] | volume = 84 | issue = | page = 1948 | doi = 10.1021/ed084p1948 }}</ref>
</gallery>

=== Transzferhidrogénezés ===
[[File:THintermed.png|thumb|300px|right|Két ruténium-hidrid komplexről karbonilvegyületre történő hidrogéntranszfer [[átmeneti állapot]]a]]
A transzferhidrogénezés során H<sub>2</sub> helyett más hidrogéndonor molekulát alkalmaznak. Ilyen – akár a reakció oldószereként is szolgáló – vegyület lehet a [[hidrazin]], a [[dihidronaftalin]], dihidroantracén, [[izopropanol]] és [[hangyasav]].<ref>van Es, T.; Staskun, B. "Aldehydes from Aromatic Nitriles: 4-Formylbenzenesulfonamide" ''[[Org. Synth.]]'', Coll. Vol. 6, p. 631 (1988). ([http://www.orgsyn.org/orgsyn/prep.asp?prep=cv6p0631 Article] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20070927223200/http://www.orgsyn.org/orgsyn/prep.asp?prep=cv6p0631|date=2007-09-27}})</ref><!-- The reaction involves an outer-sphere mechanism.-->

A szerves kémiai szintézisekben a transzferhidrogénezés telítetlen poláris szubsztrátok, például [[ketonok]], [[aldehidek]] és [[imin]]ek aszimmetriás redukciójára használható. A poláris szubsztrátok, például a ketonok és aldehidek hidrogénezése jellemzően transzferhidrogénezéssel, vagy legalábbis homogén katalizátorokkal lehetséges. Ezeket a katalizátorokat könnyű előállítani királis formában, ami a ketonok aszimmetriás hidrogénezésének alapja.

=== Elektrolitikus hidrogénezés ===
A poláros szubsztrátok, például a [[nitrilek]] [[protikus oldószer]]ben elektrokémiai úton is hidrogénezhetők.<ref>{{cite journal | doi = 10.1021/ed081p1350 | title = Catalytic Hydrogenation of Organic Compounds without H2 Supply: An Electrochemical System | url = https://archive.org/details/sim_journal-of-chemical-education_2004-09_81_9/page/1350 | year = 2004 | last1 = Navarro | first1 = Daniela Maria do Amaral Ferraz | last2 = Navarro | first2 = Marcelo | journal = Journal of Chemical Education | volume = 81 | issue = 9 | pages = 1350}}</ref>

== Termodinamika és mechanizmus ==
A [[szénhidrogének]] kettős vagy hármas kötésére történő hidrogénaddíció olyan redoxireakció, amely termodinamikailag kedvező lehet. Az alkénekre történő hidrogénaddíció szabadentalpia-változása például −101 kJ·mol<sup>−1</sup>.<ref name=Textbook>{{cite book|last1=Atkins|first1=Peter W.|title=Shriver & Atkins' inorganic chemistry.|date=2010|publisher=W. H. Freeman and Co.|location=New York|isbn=978-1-4292-1820-7|page=696|edition=5th}}</ref> A hidrogénezési reakciók többségénél azonban katalizátor hiányában a reakció sebessége elhanyagolhatóan kicsi. A hidrogénezés erősen exoterm folyamat. A növényi olajok ([[étolaj]]) és zsírsavak hidrogénezése során például mintegy 25 kcal/mol (105 kJ/mol) energia szabadul fel.<!--, sufficient to raise the temperature of the oil by 1.6–1.7 °C per iodine number drop.--> Az alkének és alkinek fémkatalizált hidrogénezési reakcióinak [[Reakciómechanizmus|mechanizmusát]] behatóan tanulmányozták.<ref>Kubas, G. J., "Metal Dihydrogen and σ-Bond Complexes", Kluwer Academic/Plenum Publishers: New York, 2001</ref> Először is, [[deutérium]]izotópos jelöléssel igazolták az addíciós reakció regiokémiáját:
: RCH=CH<sub>2</sub> + D<sub>2</sub> → RCHDCH<sub>2</sub>D

=== Heterogén katalízis ===
A szilárd felületen végbemenő reakciók elfogadott mechanizmusa a Horiuti-[[Polányi Mihály|Polányi]]-féle mechanizmus:<ref>Gallezot, Pierre. "Hydrogenation - Heterogeneous" in Encyclopedia of Catalysis, Volume 4, ed. Horvath, I.T., John Wiley & Sons, 2003.</ref><ref>{{cite journal | doi = 10.1039/TF9343001164 | title = Exchange reactions of hydrogen on metallic catalysts | year = 1934 | last1 = Horiuti | first1 = Iurô | last2 = Polanyi | first2 = M. | journal = Transactions of the Faraday Society | volume = 30 | pages = 1164}}</ref>

# A telítetlen kötés megkötődése a felületen, valamint a hidrogén disszociációja és katalizátorra kerülése atomos formában
# Egy hidrogénatom addíciója – ez a lépés reverzibilis
# A második atom addíciója – a hidrogénezés körülményei között ez gyakorlatilag irreverzibilis lépés

A második lépésben keletkező fémintermedier telített vegyület, amelyben a kötés mentén a csoportok egymáshoz képest elfordulhatnak, de a köztitermék el is bomolhat, és ezzel az alkén leválik a katalizátor felületéről. Ennek eredményeként a hidrogénező katalizátor szükségszerűen ''cisz-transz''-izomerizációt okoz, mivel az izomerizáció termodinamikailag kedvező. Részleges hidrogénezéskor ez problémát jelent, de teljes hidrogénezéskor az izomerizáció során keletkező ''transz''-alkén is végül telítődni fog.

Aromás vegyületek esetében az első kötés hidrogénezése a legnehezebb, ennek oka a stabilabb aromás rendszer megbontásához szükséges többletenergia. Ilyenkor ciklohexadién keletkezik, mely azonban nagyon reakcióképes és nem lehet elkülöníteni: ha a reakciókörülmények elég reduktívak ahhoz, hogy az aromás rendszert megszüntessék, akkor a molekula azonnal továbbredukálódik ciklohexénné. Normális körülmények között a [[ciklohexén]] is azonnal továbbalakul a teljesen telített [[ciklohexán]]ná, azonban a katalizátor speciális módosításával <!--(such as the use of the anti-solvent water on ruthenium)-->el lehet érni, hogy a ciklohexén egy része megmaradjon, ha ez a kívánt termék.

=== Homogén katalízis ===
Számos homogén hidrogénezési eljárásban<ref>Johannes G. de Vries, Cornelis J. Elsevier, eds. The Handbook of Homogeneous Hydrogenation Wiley-VCH, Weinheim, 2007. {{ISBN|978-3-527-31161-3}}</ref> a fém mindkét komponenshez kapcsolódik, így köztitermékként alkén-fém(H)<sub>2</sub> komplex keletkezik. Az általános reakcióséma feltehetően a következő, vagy ehhez hasonló:
* a hidrogén oxidatív addícióval megkötődve dihidrid komplexet képez (a H<sub>2</sub> oxidatív addíciója előtt dihidrogén komplex keletkezik):
: L<sub>n</sub>M + H<sub>2</sub> → L<sub>n</sub>MH<sub>2</sub>
* az alkén megkötése
: L<sub>n</sub>M(η<sup>2</sup>H<sub>2</sub>) + CH<sub>2</sub>=CHR → L<sub>n−1</sub>MH<sub>2</sub>(CH<sub>2</sub>=CHR) + L
* a fémről egy hidrogén vándorol a szénatomra (vándorlás és beékelődés):
: L<sub>n−1</sub>MH<sub>2</sub>(CH<sub>2</sub>=CHR) → L<sub>n−1</sub>M(H)(CH<sub>2</sub>−CH<sub>2</sub>R)
* a második hidrogénatom vándorlása a fémről az alkilcsoportra, ezzel egyidejűleg az alkán disszociációja („reduktív elimináció”):
: L<sub>n−1</sub>M(H)(CH<sub>2</sub>−CH<sub>2</sub>R) → L<sub>n−1</sub>M + CH<sub>3</sub>−CH<sub>2</sub>R

== Szervetlen szubsztrátok ==
A nitrogénből és hidrogénből történő ammóniagyártást nagy léptékben végzik a Haber–Bosch-eljárással, a becslések szerint erre a világ energiatermelésének 1%-át fordítják.
:<chem title="A nitrogén hidrogénezése">
\underset{nitrogen}{N{\equiv}N} + \underset{hidrogen\atop (200 atm)}{3H2} ->[\ce{Fe\ katalizator}][350-550^\circ\ce C] \underset{ammonia}{2NH3}
</chem>
Az oxigén részleges hidrogénezésével [[hidrogén-peroxid]] állítható elő, ezt a folyamatot azonban nem használják kereskedelmi gyártásra.

== Ipari alkalmazások ==
A katalitikus hidrogénezésnek különböző ipari alkalmazásai vannak, ezekben a legtöbb esetben heterogén katalizátort alkalmaznak.<ref name="Rylander" />

=== Élelmiszeripar ===
A hidrogénezés legnagyobb léptékű alkalmazása a növényi olajok feldolgozása.<ref name="Rylander" /> A tipikus növényi olajok többszörösen telítetlen (több [[kettős kötés]]t tartalmazó) zsírsavakból származnak. Ezek részleges hidrogénezésével a bennük található kettős kötések nagy része – de nem mindegyike – redukálódik. A hidrogénezés mértékét a hidrogén és a katalizátor mennyiségének, valamint a reakció hőmérsékletének és időtartamának korlátozásával szabályozzák.<ref>Ian P. Freeman "Margarines and Shortenings" in ''Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry'', 2005, Wiley-VCH, Weinheim. {{DOI|10.1002/14356007.a16_145}}</ref>

: [[Fájl:H2forMargerin.png|bélyegkép|320x320px|Jellemző növényi olajok részleges hidrogénezése a margaringyártás során. A folyamat során a C=C kettős kötések nagyrészt megszűnnek, ami a termék olvadáspontját megnöveli]]

A növényi olajok hidrogénezéssel szilárd vagy félszilárd zsírokká alakulnak, ilyenek vannak például a margariban. A zsírok telítettsége mértékének változásával néhány fontos fizikai jellemzőben, például az olvadási tartományban is változás áll be, emiatt szilárdulnak meg az olajok. A sütéshez előnyösebb a szilárd vagy félszilárd zsír, mert a kisütött terméknek jobb textúrát ad az, ahogy a zsír keveredik a liszttel. Mivel a részlegesen hidrgénezett növényi olaj olcsóbb, mint az állati eredetű zsír, konzisztenciáját tekintve széles választékban elérhető, és más előnyös tulajdonságai is vannak (stabilabb az oxidációval szemben és hosszabb ideig eláll), a sütőipari termékek nagy részében főként ezeket használják zsiradékként.

A részleges hidrogénezés egyik, az egészségre hatással levő következménye az, hogy a megmaradó telítetlen kötések izomerizációja miatt ''transz''-izomerek keletkeznek, melyek növelik a szív- és érrendszeri megbetegedések kockázatát.<ref>{{cite journal | last1 = Teresa Tarrago-Trani | first1 = Maria | last2 = Phillips | first2 = Katherine M. | last3 = Lemar | first3 = Linda E. | last4 = Holden | first4 = Joanne M. | year = 2006 | title = New and Existing Oils and Fats Used in Products with Reduced Trans-Fatty Acid Content | url = https://www.ars.usda.gov/ARSUserFiles/80400525/Articles/JADA106_867-880.pdf| journal = Journal of the American Dietetic Association | volume = 106 | issue = | pages = 867–880 | doi = 10.1016/j.jada.2006.03.010 }}</ref> A ''cisz''ből ''transz'' izomerré történő átalakulást segíti, hogy a ''transz'' konfiguráció energetikailag kedvezőbb. Egyensúlyban a ''transz''/''cisz'' izomerek aránya kb. 2:1. Számos ország és régió vezette be, hogy a címkén kötelező feltüntetni az élelmiszerek transz-zsírsav tartalmát, és javasolják a gyártóknak ezek mennyiségének csökkentését.<ref>{{cite news|url=https://www.independent.co.uk/life-style/health-and-wellbeing/healthy-living/deadly-fats-why-are-we-still-eating-them-843400.html|title=Deadly fats: why are we still eating them?|date=2008-06-10|publisher=[[The Independent]]|accessdate=2008-06-16|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20080614071803/http://www.independent.co.uk/life-style/health-and-wellbeing/healthy-living/deadly-fats-why-are-we-still-eating-them-843400.html|archivedate=2008-06-14|df=}}</ref><ref>{{cite news|url=http://www.msnbc.msn.com/id/16051436/|title=New York City passes trans fat ban|date=2006-12-05|publisher=[[msnbc]]|accessdate=2010-01-09|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20100106041324/http://www.msnbc.msn.com/id/16051436/|archivedate=2010-01-06|df=}}</ref><ref>{{cite news|url=https://www.nytimes.com/2015/06/17/health/fda-gives-food-industry-three-years-eliminate-trans-fats.html|title=F.D.A. Gives Food Industry 3 Years to Eliminate Trans Fats|date=2015-06-16|publisher=[[The New York Times]]|accessdate=2015-06-16|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20150616164203/http://www.nytimes.com/2015/06/17/health/fda-gives-food-industry-three-years-eliminate-trans-fats.html|archivedate=2015-06-16|df=}}</ref>

=== Petrolkémiai ipar ===
A petrolkémiai folyamatok során az alkénekből és aromás vegyületekből hidrogénezéssel telített alkánokat (parafinnok) és cikloalkánokat (naftének) nyernek, melyek toxicitása és reakciókészsége is kisebb. A – néha hosszabb ideig levegőn tárolt – folyékony üzemanyagok szempontjából jelentős tényező, hogy a telített szénhidrogének eltarthatósága sokkal jobb, míg az alkének hajlamosok [[Szerves peroxidok|hidroperoxidokat]] képezni.<!--On the other hand, alkene tend to form [[Szerves peroxidok|hydroperoxides]], which can form gums that interfere with fuel handing equipment. For example, mineral turpentine is usually hydrogenated. [[Krakkolás|Hydrocracking]] of heavy residues into diesel is another application. In isomerization and catalytic reforming processes, some hydrogen pressure is maintained to hydrogenolyze coke formed on the catalyst and prevent its accumulation.-->

=== Szerves kémia ===
A telítetlen vegyületek hidrogénezéssel telített származékokká alakíhatóak. Nemcsak alkének és alkinek, hanem aldehidek, iminek és nitrilek is telíthetők.<ref>{{cite journal|last1=Werkmeister|first1=Svenja|last2=Junge|first2=Kathrin|last3=Beller|first3=Matthias|title=Catalytic Hydrogenation of Carboxylic Acid Esters, Amides, and Nitriles with Homogeneous Catalysts|journal=Organic Process Research & Development|date=2 February 2014|volume=18|issue=2|pages=289–302|doi=10.1021/op4003278}}{{open access}}</ref> ezekből a megfelelő alkoholok és aminok keletkeznek. Ily módon az alkénből és [[szén-monoxid]]ból [[hidroformilezés]]sel nyerhető alkil-aldehidekből alkohol állítható elő, például az [[1-propanol]]t az etilénből és szén-monoxidból nyert propionaldehidből állítják elő. A [[xilit]]et a [[xilóz]] nevű – aldehidcsoportot tartalmazó – cukor hidrogénezésével nyerik. Primer aminokat elő lehet állítani nitrilek hidrogénezésével, míg nitrilek könnyen szintetizálhatók cianid és megfelelő [[elektrofil]] reakciójával.<!-- For example, isophorone diamine, a precursor to the [[Poliuretánok|polyurethane]] monomer isophorone diisocyanate, is produced from isophorone nitrile by a tandem nitrile hydrogenation/reductive amination by ammonia, wherein hydrogenation converts both the nitrile into an amine and the imine formed from the aldehyde and ammonia into another amine.-->
<!--
=== Hydrogenation of coal ===
{{main|Bergius process}}
-->
== A kezdetek ==

=== Heterogén katalitikus hidrogénezés ===
Az első hidrogénezési reakció a hidrogén oxigénre történő, [[platina]] által katalizált addíciója volt a Döbereiner-féle gyújtókészülékben, melyet már 1823-ban forgalmaztak. A hidrogénezési eljárás atyjának [[Paul Sabatier]] francia kémikust tartják. 1897-ben, James F. Boyce amerikai kémikus korábbi munkáját követve felfedezte, hogy a nikkelnyomok katalizálják a hidrogén gázállapotú szénhidrogén-molekulákra történő addícióját, ezt ma [[Sabatier-folyamat]]nak (vagy Sabatier–Senderens-eljárásnak) nevezzük. Ezen munkásságáért 1912-ben megosztott [[kémiai Nobel-díj]]ban részesült. 1902-ben Németországban, majd 1903-ban Nagy-Britanniában Wilhelm Normann szabadalmat kapott a folyékony olajok hidrogénezésére, ezzel elindítva egy ma már világméretű iparágat. Az ipari szempontból fontos, elsőként 1905-ben leírt Haber–Bosch-eljárás során a nitrogént hidrogénezik. Az 1922-en közölt [[Fischer–Tropsch-eljárás]] segítségével a kőszénből könnyen előállítható szén-monoxid hidrogénezésével folyékony üzemanyagok állíthatók elő.

1922-ben Voorhees és Adams leírt egy berendezést, amelyben légkörinél nagyobb nyomáson lehet hidrogénezést végezni.<ref>{{cite web |url=http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/jacsat/1922/44/i06/f-pdf/f_ja01427a021.pdf |title=Archived copy |accessdate=2008-08-05 |deadurl=no |archiveurl=https://web.archive.org/web/20080910124034/http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/jacsat/1922/44/i06/f-pdf/f_ja01427a021.pdf |archivedate=2008-09-10 |df= }}</ref> <!--The Parr shaker, the first product to allow hydrogenation using elevated pressures and temperatures, was commercialized in 1926 based on Voorhees and Adams' research and remains in widespread use.--> 1924-ben Murray Raney kifejlesztette a nagyon finomra porított nikkelt, melyet széles körben használnak a hidrogénezési reakciók, például a nitrilek aminná történő átalakítása vagy a margaringyártás katalizátoraként.

=== Homogén katalitikus hidrogénezés ===
Az 1930-as években Calvin felfedezte, hogy a réz(II) komplexei oxidálják a H<sub>2</sub>-t. Az 1960-es években kifejlesztették a jól definiált, átmenetifém-komplexeket tartalmazó homogén katalitárokat, például a Wilkinson-katalitárt (RhCl(PPh<sub>3</sub>)<sub>3</sub>), majd nem sokkal ezt követően felismerték, hogy a kationos Rh és Ir katalizálják az alkének és karbonilok hidrogénezését.<ref name=ACS>{{cite journal|last1=Schrock|first1=Richard R.|last2=Osborn|first2=John A.|title=Catalytic hydrogenation using cationic rhodium complexes. I. Evolution of the catalytic system and the hydrogenation of olefins|journal=Journal of the American Chemical Society|date=April 1976|volume=98|issue=8|pages=2134–2143|doi=10.1021/ja00424a020}}</ref> Az 1970-es években a [[levodopa]] szintézisében megvalósították az aszimmetriás hidrogénezést, az 1990-es években pedig feltalálták a Noyori aszimmetriás hidrogénezést.<ref>C. Pettinari, F. Marchetti, D. Martini "Metal Complexes as Hydrogenation Catalysts" Comprehensive Coordination Chemistry II, 2004, volume 9. pp. 75–139. {{DOI|10.1016/B0-08-043748-6/09125-8}}</ref> A homogén hidrogénezés fejlődésére hatással voltak azok a munkák, melyeket az 1930-as és 1940-es években kezdtek a [[hidroformilezés]] és a Ziegler–Natta-polimerizáció kapcsán.

==Fémmentes hidrogénezés==
A gyakorlatban a hidrogénezéshez a legtöbb esetben fémkatalizátor szükséges. Néhány hidrogéndonor esetében azonban a hidrogénezés katalizátor nélkül is végbemegy, ilyen jellemző hidrogéndonorok a diimidek és az alumínium-izopropoxid – utóbbi például a Meerwein–Ponndorf–Verley-redukcióban használatos. Végeztek tudományos kutatásokat néhány fémmentes katalizátorrendszerrel, ezek egyike [[Terc-butanol|''terc''-butanol]], kálium-''terc''-butoxid és nagyon magas hőmérséklet alkalmazásával [[keton]]ok redukciójára alkalmas.<ref>{{cite journal | doi = 10.1021/ja01072a028 | title = Homogeneous Hydrogenation in the Absence of Transition-Metal Catalysts | year = 1964 | last1 = Walling | first1 = Cheves. | last2 = Bollyky | first2 = Laszlo. | journal = Journal of the American Chemical Society | volume = 86 | issue = 18 | pages = 3750}}</ref> Az alábbi reakció a benzofenon hidrogénezését mutatja be:

: [[Fájl:BaseCatalyzedKetoneHydrogenation.svg|500x500px|Ketonok báziskatalizált hidrogénezése]]

A [[Reakciókinetika|kinetikai vizsgálatok]] szerint<ref>{{cite journal | doi = 10.1021/ja016152r | title = Hydrogenation without a Transition-Metal Catalyst:  On the Mechanism of the Base-Catalyzed Hydrogenation of Ketones | year = 2002 | last1 = Berkessel | first1 = Albrecht | last2 = Schubert | first2 = Thomas J. S. | last3 = Müller | first3 = Thomas N. | journal = Journal of the American Chemical Society | volume = 124 | issue = 29 | pages = 8693–8 | pmid = 12121113}}</ref> a reakció mindhárom reaktánsra nézve elsőrendű, ami hattagú gyűrűs [[átmeneti állapot]]ra enged következtetni.

Másik fémmentes hidrogénezési rendszer az '''1''' foszfin-borán vegyület, nevezik frusztrált Lewis-párnak is. Viszonylag alacsony hőmérsékleten reverzibilisen dihidrogént tud megkötni, ekkor '''2''' foszfónium-borát keletkezik, mellyel sztérikusan gátolt egyszerű imineket lehet redukálni.<ref>{{cite journal | doi = 10.1002/anie.200702908 | title = Metal-Free Catalytic Hydrogenation | year = 2007 | last1 = Chase | first1 = Preston A. | last2 = Welch | first2 = Gregory C. | last3 = Jurca | first3 = Titel | last4 = Stephan | first4 = Douglas W. | journal = Angewandte Chemie International Edition | volume = 46 | issue = 42 | pages = 8050}}</ref>

: [[Fájl:MetalfreehydrogenationPhosphineBorane.svg|400x400px|Fémmentes hidrogénezés foszfin-boránnal]]

Beszámoltak arról, hogy a [[nitrobenzol]] [[anilin]]né történő redukcióját [[fullerének]] és azok monoanionja katalizálja, légköri nyomású hidrogén és UV-fény jelenlétében<ref>{{cite journal | doi = 10.1021/ja9061097 | title = A Nonmetal Catalyst for Molecular Hydrogen Activation with Comparable Catalytic Hydrogenation Capability to Noble Metal Catalyst | year = 2009 | last1 = Li | first1 = Baojun | last2 = Xu | first2 = Zheng | journal = Journal of the American Chemical Society | volume = 131 | issue = 45 | pages = 16380–2 | pmid = 19845383}}</ref>

== A hidrogénezéshez használt berendezések ==
A laboratóriumi hidrogénezésnek három fő módszere van:
* légköri nyomáson végzett szakaszos hidrogénezés
* nagy hőmérsékleten és/vagy nyomáson végzett szakaszos hidrogénezés<ref name=Apparatus>{{cite journal|last1=Adams|first1=Roger|last2=Voorhees|first2=V.|title=Apparatus for catalytic reduction|journal=Organic Syntheses|date=1928|volume=8|page=10|doi=10.15227/orgsyn.008.0010}}</ref>
* folyamatos hidrogénezés

=== Légköri nyomáson végzett szakaszos hidrogénezés ===
Ez az első, és még ma is gyakran használt hidrogénezési mód a laboratóriumi gyakorlatokon. Az oldott reaktánst tartalmazó, [[nitrogén]]nel vagy [[argon]]nal oxigénmentesített  [[gömblombik]]ba szilárd katalizátort tesznek, majd áteresztő gumidugóval lezárják azt. A hidrogéngázt H<sub>2</sub>-vel töltött ballonból juttatják be. A lombik tartalmát kevertetik. A hidrogénfogyás mérhető – például színes folyadékot, többnyire [[réz-szulfát]] oldatot tartalmazó osztott csővel –, így követni lehet a hidrogénezési folyamat menetét.

=== Nagy hőmérsékleten és/vagy nyomáson végzett szakaszos hidrogénezés ===
Mivel számos hidrogénezési reakció – például a védőcsoportok hidrogenolízise és az aromás rendszerek redukciója – légköri nyomáson és hőmérsékleten csak nagyon lassan megy végbe, elterjedtek a túlnyomásos rendszerek. Ezekben az esetekben a reaktáns nyomásálló [[tartály]]ban lévő oldatához inert atmoszféra alatt adják hozzá a katalizátort. A hidrogént közvetlenül gázpalackból vagy laboratóriumi hidrogénforrásból nyerik, a nyomás alatt levő reakcióelegyet kevertetik.<ref name="Apparatus" /> Melegítés is történhet, mivel a nyomás kompenzálja a gáz oldhatóságának csökkenését.

=== Folyamatos hidrogénezés ===
A laboratóriumban kedvelt eljárássá vált a folyamatos hidrogénezés, és elterjedtsége az iparban is nő. Az eljárás alapja, hogy a reaktáns híg oldatát rögzített katalizátorágy felett folyamatosan áramoltatják hidrogén jelenlétében. [[HPLC]]-s pumpával a használható nyomástartomány a légköri nyomástól akár 100 bar-ig terjedhet. A hőmérséklet is növelhető. Laboratóriumi célra különböző előre töltött katalizátorok is elérhetők, így nem kell a [[Piroforos anyagok|piroforos]] katalizátorok kezelésével bajlódni.

=== Ipari reaktorok ===
A katalitikus hidrogénezést hordozóra felvitt katalizátorral töltött folyamatos csőreaktorban végzik, jellemzően nagy hőmérsékleten és nyomáson, bár ez az alkalmazott katalizátortól is függ. A katalizátortöltet általában jóval kevesebb, mint a szakaszos laboratóriumi hidrogénezés esetében, és az aktivitás, szelektivitás és a katalizátor stabilitásának növelése céljából a fémhez különböző promotereket is adnak, vagy fémkeveréket használnak. Kis aktivitása ellenére általában nikkelt alkalmaznak, mivel a nemesfémekhez képest sokkal olcsóbb.

Mechanikusan kevert gáz-folyadék reaktorokat is használnak katalitikus hidrogénezésre.<ref>{{cite journal | doi = 10.1016/0009-2509(82)80171-1 | title = Mechanically agitated gas–liquid reactors | year = 1982 | last1 = Joshi | first1 = J.B. | last2 = Pandit | first2 = A.B. | last3 = Sharma | first3 = M.M. | journal = Chemical Engineering Science | volume = 37 | issue = 6 | pages = 813}}</ref>

==Jegyzetek==
{{jegyzetek}}

==Fordítás==
{{fordítás|en|Hydrogenation|oldid=859902019}}

[[Kategória:Szerves reakciók]]