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Unter '''Hydrierung''' versteht man in der [[Chemie]] die [[Additionsreaktion|Addition]] von [[Wasserstoff]] an andere [[Chemisches Element|chemische Elemente]] oder [[Chemische Verbindung|Verbindungen]]. Eine in der [[Organische Chemie|organischen Chemie]] sehr häufig durchgeführte [[chemische Reaktion]] ist die [[Additionsreaktion|addierende]] Hydrierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-[[Doppelbindung]]en. Hydrierungen haben eine große industrielle Bedeutung wie z. B. bei der katalytischen Hydrierung von [[Fettsäure]]n (Fetthärtung) bei der Herstellung von [[Margarine]].
Die umgekehrte Reaktion heißt [[Dehydrierung]].

Die katalytische Hydrierung wurde in den 1890er Jahren von [[Paul Sabatier (Chemiker)|Paul Sabatier]] in Zusammenarbeit mit [[Jean Baptiste Senderens]] in Frankreich entwickelt. Sabatier erhielt dafür 1912 den Nobelpreis.

== Heterogenkatalytische Hydrierung ==
[[Datei:Hydrogenation on catalyst.svg|mini|Hydrierung einer Doppelbindung]]

Aufgrund der hohen Stabilität des Wasserstoffmoleküls (die [[Dissoziation (Chemie)|Dissoziations]]-[[Enthalpie]] ''ΔH0'' für die Reaktion H2→2H* beträgt 434 kJ·mol−1) benötigt man für die Hydrierung in der Regel einen [[Katalysator]]. Das Wasserstoffmolekül bindet intermediär an das Katalysatormetall-Atom. Dabei wird die Bindung zwischen den beiden Wasserstoffatomen geschwächt, d. h. sie erfährt einen Elektronenmangel und kann nun mit einer elektronenreichen Mehrfachbindung wechselwirken. Die eigentliche Hydrierung findet statt, wenn formal jeweils zwei Wasserstoffatome auf die entsprechende Mehrfachbindung vom Katalysator-Wasserstoff-Komplex übertragen werden. Die [[Oxidationszahl]]en der betroffenen Elemente werden dabei um jeweils eins reduziert.

== Homogenkatalytische Hydrierung ==
Die [[Homogene Katalyse|homogenkatalytische Hydrierung]], etwa mit dem [[Wilkinson-Katalysator]], wird überwiegend zur Hydrierung von [[Alkene]]n mit [[Wasserstoff]] genutzt.

Durch Abspaltung eines labilen [[Ligand]]en wird in einem nachfolgenden Schritt Wasserstoff unter oxidativer Addition angelagert. Das [[Alkene|Alken]] (bzw. [[Olefin]]) koordiniert dann zunächst am Metall und reagiert dann unter Insertion in die Metall-Wasserstoff-Bindung. Durch Reaktion mit dem zweiten gebundenen Wasserstoff wird unter reduktiver Eliminierung das Alkan freigesetzt und der ursprüngliche katalytisch aktive Komplex zurückgewonnen.<ref>[[Hans Beyer]], [[Wolfgang Walter]]: ''[[Beyer-Walter Lehrbuch der Organischen Chemie|Lehrbuch der organischen Chemie]]''. 23. Aufl. Hirzel Verlag, Stuttgart 1998, S. 406f., ISBN 3-7776-0808-4.</ref>

[[Datei:Katalysezyklus-Wilkinson.png|402px|zentriert|Katalysezyklus der Wilkinson-Hydrierung]]

Mit dem Wilkinson-Katalysator können selektiv endständige [[Doppelbindung]]en hydriert werden.

== Anwendungen der Hydrierung ==
=== Anwendung in der organischen Chemie ===
Die Hydrierung in der organischen Chemie dient dazu, Wasserstoff an Mehrfachbindungen anzulagern. Meist kommt dabei die heterogene katalytische Hydrierung und in Ausnahmefällen auch die homogene katalytische Hydrierung zum Einsatz.
Als Katalysatoren dienen vor allem [[Übergangsmetalle]], meist auf Trägermaterialien wie [[Aktivkohle]] aufgebracht, gegebenenfalls auch in Kombination mit Katalysatorgiften, welche die Selektivität verbessern.
Für die Hydrierung wird meist elementarer Wasserstoff eingesetzt, wobei die erforderlichen Drücke und Temperatur in weiten Bereichen variieren.

Besonders im Labormaßstab haben auch katalytische Hydrierungen mit [[Hydrazin]], Cyclohexadienen oder [[Ameisensäure]] als Wasserstoffquelle eine praktische Bedeutung. Bei diesen Methoden entstehen mit [[Stickstoff]] für Hydrazin, [[Benzol]] für die Cyclohexadiene und [[Kohlenstoffdioxid|Kohlendioxid]] für die Ameisensäure [[thermodynamisch]] sehr stabile Verbindungen.

[[Alkene]] und [[Alkine]] können in [[Alkane]] und im Falle der Alkine auch selektiv in (''E'')- bzw. (''Z'')-Alkene umgewandelt werden. Katalytisch hydriert werden können aber auch funktionelle Gruppen, die [[Heteroatom]]e enthalten, so z. B. [[Nitroverbindung]]en oder [[Imin]]e zu [[Amine]]n.

==== Hydrierkatalysatoren ====
{{Hauptartikel|Hydrierkatalysatoren}}

Als [[Hydrierkatalysatoren]] kommen vor allem Elemente der 8. [[Nebengruppe]] des [[Periodensystem]]s zum Einsatz. Hier haben [[Palladium]] und [[Nickel]] besondere Bedeutung erlangt. Auch [[Platin]], [[Rhodium]], [[Ruthenium]], [[Kobalt]], [[Eisen]], [[Kupferchromit]] und [[Zinkchromit]] werden als Hydrierkatalysatoren eingesetzt.

==== Katalysatorgifte ====
Zahlreiche Stoffe reagieren mit den aktiven Zentren auf der Katalysatoroberfläche und blockieren diese teilweise oder völlig. Solche „Katalysatorgifte“ sind häufig für das Misslingen katalytischer Hydrierungen verantwortlich. Andererseits kann die gezielte Vergiftung eines Katalysators genutzt werden, um seine Selektivität zu erhöhen (z. B. [[Lindlar-Katalysator]]). Klassische Katalysatorgifte sind schwefelhaltige Verbindungen ([[Thiolgruppe|Thiole]]), bei denen die Giftwirkung mit der Länge der Alkylketten steigt.
Grundsätzlich lassen sich die Katalysatorgifte in drei Gruppen einteilen:
# Gruppe: dazu gehören Elemente wie [[Stickstoff]], [[Phosphor]], [[Arsen]], [[Antimon]], [[Schwefel]], [[Selen]], [[Tellur]], [[Brom]], [[Iod]] und zum Teil auch [[Chlor]].
# Gruppe: Metalle und Metallionen – für Platin als Katalysator sind das zum Beispiel: Cu2+, Cu+, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg22+, Hg2+, Mn2+, Fe2+, Co2+ und Ni2+.
# Gruppe: Komplexbildner für Übergangsmetalle wie z. B. Cyanidionen, Kohlenmonoxid oder Benzol.

==== Hydrierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen ====
Eine wichtige Anwendung der katalytischen Hydrierung ist die Hydrierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen; sie wird technisch in großem Umfang angewandt, beispielsweise in der [[Fetthärtung]]. Die Hydrierung erfolgt hier in der Regel mit Wasserstoff und einem nicht löslichen Katalysator wie Palladium, Platin, Iridium oder Nickel ([[Raney-Nickel]]).

[[Datei:Ez products.svg|400px|zentriert|''E''- und ''Z''-Produkte der Hydrierung von Alkinen]]

Bei der Hydrierung von [[Alkine]]n wird aus der [[Dreifachbindung]] zunächst eine Doppelbindung gebildet, die in der (''E'')- oder der (''Z'')-Form vorliegen kann. Mit geeigneten Katalysatoren kann das eine oder andere [[Stereoisomere|Stereoisomer]] bevorzugt erhalten werden. Gewöhnlich werden die Alkene schnell zu den Alkanen weiterhydriert; mit speziellen Katalysatoren ([[Lindlar-Katalysator]]) kann die Hydrierung aber auf der Stufe des Alkens angehalten werden.

[[Datei:Lindlar Alkin.svg|300px|zentriert]]

Eine, besonders großtechnisch, viel größere Bedeutung als die Hydrierung von Alkinen hat die katalytische Hydrierung von Alkenen zu Alkanen, so zum Beispiel die in großem Umfang betriebene [[Fetthärtung]]. Hierbei werden ölige ungesättigte Fettsäureester in die gesättigten Fettsäureester umgewandelt, welche einen wesentlich höheren Schmelzpunkt haben. Dies ist ein wichtiger Schritt in der Margarine-Herstellung (siehe [[#Margarineherstellung durch Fetthärtung|unterer Abschnitt]]).

Die Hydrierwärme (Hydrierenthalpie) kann als Maß für die Stabilität verschiedener ungesättigter Verbindungen herangezogen werden. So kann durch Vergleich der Hydrierwärmen von [[Cyclohexen]] und [[1,3-Cyclohexadien]] die theoretische Hydrierwärme des nicht existenten Cylohexatriens berechnet werden und daraus mit dem Vergleich zur Hydrierwärme von [[Benzol]] auf die Resonanzstabilisierung durch das [[Aromat|aromatische System]] im Benzol geschlossen werden.

Je nach sterischer Hinderung ist die katalytische Hydrierung leicht (bei Normaldruck und Raumtemperatur) möglich oder erfordert drastischere Bedingungen. Leicht sind monosubstituierte Olefine zu hydrieren, der Aufwand steigt mit der Anzahl an Kohlenstoffsubstituenten.

Im Labor wird für die katalytische Hydrierung in der Regel Palladium, aufgezogen auf Aktivkohle, und Wasserstoff aus einer Druckgasflasche verwendet. In der technischen Chemie bedient man sich hier eher optimierter Verfahren.
Der Katalysator Palladium (aufgezogen auf Aktivkohle) ist kommerziell erhältlich, enthält je nach Qualität und damit auch Preis 1–10 % Palladium in einer Oxidationsstufe von Pd(II) und muss im Falle von Komplexliganden, wie Nitrogruppen, für Palladium vor der eigentlichen Hydrierung vorher selber hydriert (=reduziert zu Palladium (0)) werden.

==== Hydrierung anderer Mehrfachbindungen ====
Durch katalytische Hydrierung können auch Heteroatom-Kohlenstoff und Heteroatom-Heteroatom-Mehrfachbindungen reduziert werden. Besonders von Bedeutung sind hier die Hydrierung von Nitrogruppen, [[Imin]]en und [[Oxim]]en zu den entsprechenden Aminen und von [[Heterocyclen|heterocylischen]] aromatischen Verbindungen zu den entsprechenden gesättigten Ringsystemen.

[[Datei:N-hydrierung.svg|600px|Beispiele für die Hydrierung von stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen]]

==== Hydrierungen als Verfahren zum Entfernen von Schutzgruppen ====
Aufgrund der häufig milden Bedingungen eignet sich die katalytische Hydrierung auch zum Entfernen von [[Schutzgruppe]]n. Besonders sind hier zu nennen die [[Benzyl]]gruppe die im Falle von Benzylethern, Benzylestern Alkohole bzw. [[Carbonsäuren]] schützen oder aber in der Peptidchemie die [[Benzylchlorformiat|Benzyloxycarbonyl]]-Gruppe oder auch Z-Gruppe (Cbz) genannt.

[[Datei:Benzyl.svg|600px|Hydrierung einer Benzyl-Gruppe in der Schutzgruppentechnik]]

==== Margarineherstellung durch Fetthärtung ====
Die Hydrierung wird auch bei der [[Fetthärtung]] von [[Pflanzenöle]]n zur Herstellung von [[Margarine]] verwendet ([[Wilhelm Normann]], 1901). Dabei werden Doppelbindungen in den [[Fettsäuren|Fettsäure]]-Ketten der Fettmoleküle mit Wasserstoff abgesättigt. Da die Verbindungen ohne Doppelbindungen einen höheren Schmelzpunkt haben, erhält man aus den flüssigen Ölen ein festes Fett. Die Hydrierung erfolgt an [[Nickel]] als Katalysator bei 120 bis 180 °C und einem Wasserstoff-Druck von 6 bis 7 bar. Unvollständige Hydrierung trägt dazu bei, dass als unerwünschte Nebenprodukte [[trans-Fettsäuren|''trans''-Fettsäuren]] entstehen.<ref name="Ariens">An Philippaerts, Pierre A. Jacobs, Bert F. Sels: Hat die Hydrierung von Pflanzenölen noch eine Zukunft?, Angew. Chem. 125 (2013) 5328–5334, [[doi:10.1002/ange.201209731]].</ref> Diese stehen im Verdacht, das Risiko für Herz-Kreislauferkrankungen zu erhöhen. Durch optimierte Hydrierverfahren kann heute die Bildung dieser unerwünschten Nebenprodukte auf wenige Prozente reduziert werden.

== Siehe auch ==
* [[Kohleverflüssigung]]
* [[Stereoselektive Hydrierung]]
* [[Platinschwamm]]
* [[Raney-Nickel]]
* [[Urushibara-Katalysatoren]]

== Literatur ==
* [[Felix Zymalkowski]]: ''Katalytische Hydrierung im organisch-chemischen Laboratorium'' (Sammlung chemischer und chemisch-technischer Beiträge/N.F.; Bd. 61). Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1965.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Chemische Reaktion]]
[[Kategorie:Katalyse]]

Hydrierung - Versionsgeschichte

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