Hydro hóa là phản ứng hóa học trong đó phân tử khí hydro tác dụng và cộng vào các liên kết chưa bão hòa như liên kết đôi hoặc liên kết ba cacbon-cacbon, nhóm cacbonyl hoặc nhân thơm của hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác kim loại chuyển tiếp. Phản ứng tổng quát cho hợp chất chứa liên kết đôi anken có dạng:
Cơ chế xúc tác dị thể Horiuti-Polanyi
Phản ứng hydro hóa xúc tác dị thể trên bề mặt kim loại rắn diễn ra theo cơ chế kinh điển do Juro Horiuti và Michael Polanyi đề xuất năm 1934 trên Transactions of the Faraday Society. Quá trình này bao gồm các giai đoạn tuần tự sau:
Đầu tiên, phân tử hydro khí hấp phụ phân ly lên bề mặt kim loại tạo thành các nguyên tử hydro hoạt hóa:
Đồng thời, phân tử chất nền hữu cơ chưa bão hòa tiếp cận và hấp phụ phối trí với các tâm hoạt tính trên bề mặt kim loại:
Nguyên tử hydro hoạt hóa lần lượt chuyển dịch và cộng vào các nguyên tử cacbon chưa bão hòa, tạo thành phức trung gian alkyl rồi hoàn thiện thành sản phẩm no bão hòa, sau đó giải hấp phụ khỏi bề mặt xúc tác:
Động học phản ứng và nhiệt động lực học
Theo tổng quan năm 2000 của Sheldon và van Bekkum, phản ứng hydro hóa có bản chất tỏa nhiệt mạnh. Vận tốc phản ứng tổng thể phụ thuộc vào nồng độ chất nền và áp suất riêng phần của hydro theo phương trình động học:
Trong đó, hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình Arrhenius:
Hệ xúc tác và tính chọn lọc phản ứng
Trong tổng quan năm 2002 trên Platinum Metals Review, Hayes đã hệ thống hóa các loại xúc tác kim loại dị thể phổ biến:
| Hệ xúc tác | Đặc tính hoạt động | Ứng dụng tổng hợp |
|---|---|---|
| Niken Raney | Chi phí thấp, hoạt tính hydro hóa mạnh ở áp suất và nhiệt độ cao | Hydro hóa dầu thực vật công nghiệp, khử liên kết đôi quy mô lớn |
| Palađi trên than hoạt tính | Hoạt tính cao ở điều kiện êm dịu, chọn lọc tốt cho anken và nhóm nitro | Tổng hợp hóa dược phẩm, khử bảo vệ nhóm benzyl |
| Xúc tác Lindlar | Kiểm soát hydro hóa chọn lọc một phần ankin thành cis-anken | Tổng hợp hữu cơ lập thể chính xác cao, sản xuất vitamin A |
Ứng dụng công nghiệp quy mô lớn
Phản ứng hydro hóa là một trong những quy trình quan trọng nhất của nền công nghiệp hiện đại:
- Công nghiệp thực phẩm: Hydro hóa một phần các axit béo chưa no trong dầu thực vật lỏng để tăng điểm nóng chảy và độ bền oxy hóa, tạo ra shortening và magarin.
- Công nghiệp hóa dầu: Hydro khử lưu huỳnh và hydro cracking để tinh chế nhiên liệu sạch, loại bỏ dị nguyên tử lưu huỳnh, nitơ và kim loại nặng.
- Sản xuất hóa chất cơ bản: Sản xuất cyclohexane từ benzen, hexamethylenediamine từ adiponitrile để tổng hợp sợi tổng hợp.