هیدروژنه کردن (هیدروژناسیون) در شیمی

هیدروژنه کردن در شیمی به عنوان فرآیندی تعریف می شود که می توان با استفاده از آن به تولید ترکیبات اشباع پرداخت. به این ترتیب که با افزودن یک مولکول هیدروژن به یک ترکیب غیراشباع چون آلکن، می توان ترکیبات آلی اشباع شده را تهیه کرد. شرط انجام این نوع واکنش نیز با استفاده از کاتالیزور است و یا انجام واکنش در دماهای بالاست. در این فرآیند پیوندهای دوگانه و یا سه گانه کاهش پیدا می کند.

در بیشتر این واکنش ها هیدروژنی که برای انجام آن لازم است از هیدروژن گازی تامین می شود. در این نوع از فرآیندها، بار واکنش دهنده ها و فرآورده یکی خواهد بود.

اجزای مورد نیاز در هیدروژناسیون

سه جزئی که برای انجام یک واکنش هیدروژن دار کردن لازم است، بستر یا همان سوبسترا، کاتالیزور و منبع هیدروژن است. هیدروژن گازی در این فرآیند با استفاده از دستگاه هیدروژن ساز یا مولد هیدروژن تامین می شود. با توجه به این که چه نوع سوبسترا و کاتالیزوری استفاده می شود، انجام واکنش در دماها و فشارهای مختلفی صورت می گیرد. از جمله تبدیلاتی که می تواند در واکنش های هیدروژناسیون انجام شود، آلکن به آلکان، آلکین به آلکن، آلدهید و کتون به الکل، استر به الک نوع دوم و تبدیل آمید به آمین است.

کاتالیزورهای کاربردی در هیدروژناسیون

همان طور که گفته شد برای این که یک واکنش هیدروژناسیون بدون کاتالیزور انجام شود باید دمای آن تا 480 درجه سانتی گراد بالا رود. اما در صورت استفاده از کاتالیزور، این واکنش می تواند در دما و فشارهای پایین تر انجام شود. علاوه بر فلزات گران بها می توان از عناصر دیگری به عنوان کاتالیزور در این فرایندها استفاده کرد. دو نوع کاتالیزور همگن و ناهمگن در این واکنش ها می توانند به کار برده شوند.

اگر کاتالیزور در حلالی که محتوی سوبسترای غیر اشباع به عنوان ماده اولیه در هیدروژناسیون است، حل شود به عنوان کاتالیزور همگن خوانده می شود. اما اگر کاتالیزور در این ترکیب (حلال به اضافه بستر) حل نشود به عنوان کاتالیزور ناهمگن نامیده می شود.   

کاتالیزورهایی که ر فرایند هیدروژناسیون مورد استفاده واقع می شود، پلاتین، پالادیوم، روتنیوم، نیکل و ... است.

منابع هیدروژن

هیدروژن در حالت عادی به علت واکنش پذیری بالای آن با عناصر غیرفلزی، به شکل آب و یا ترکیبات آلی وجود دارد. هیدروژن می تواند داخل کپسول های صنعتی و یا آزمایشگاهی مورد استفاده قرار گیرد. ولی چون خطرات نگهداری گاز هیدروژن داخل کپسول ها در آزمایشگاه، زیاد است، به همین دلیل استفاده از دستگاه هیدروژن ساز متداول تر است.

از جمله دستگاه هیدروژن ساز می توان به ژنراتور گازی هیدروژن اشاره کرد که می توان هیدروژن را در دستگاه های تجزیه ای چون GC تامین کند. در دستگاه های هیدروژن ژنراتور، هیدروژن از الکترولیز آب حاصل می شود. هیدروژنی که به این ترتیب حاصل می شود خالص بوده و با فشار مناسب به دستگاه های تجزیه ای هدایت می شود. برای انتقال هیدروژن با فشار بیشتر، از پمپ های تقویت کننده استفاده می شود.

هیدروژن دار کردن آلکن ها

وقتی دو اتم هیدروژن به ترکیبات آلکنی، اضافه شود به آلکان ها تبدیل می شوند که ترکیباتی اشباع و پایدار هستند. تشکیل فرآورده پایدار با انرژی کمتر، نشان دهنده مناسب بودن واکنش از لحاظ ترمودینامیکی است. همچنین با این شکل نمودار انرژی، واکنش گرماده بوده که به این گرما، گرمای هیدروژناسیون می گویند. کاتالیزورهاییی که در واکنش هیدروژن دار کردن آلکن ها استفاده می شوند، نیکل و پلاتین هستند.

در مکانیسم این واکنش، آلکن جذب سطح فلز شده و تشکیل یک پیوند جدید کربن – هیدروژن در نتیجه انتقال یک اتم هیدروژن به هیدروکربن را می دهد. پیوند دوگانه کربن – کربن به پیوند یگانه تبدیل می شود وقتی که انتقال و جابجایی اتم دوم هیدروژن با توجه به نوع جهت گیری هیدروکربن و مولکول هیدروژن انجام می شود. این افزایش با جهت گیری سین انجام می شود.

کاربرد هیدروژنه کردن

یکی از کاربردهای هیدروژناسیون در صنعت و برای تصفیه کردن است. با این روش فراوری موادی از جمله آمونیاک، پلیمرها و سوخت ها انجام می شود. در فراوری روغن های گیاهی در صنعت غذاسازی، برای تبدیل اسیدهای چرب غیراشباع به انواع سیرشده، از هیدروژنه کردن استفاده می شود. چون استفاده از روغن هایی با اسیدهای چرب غیراشباع مضر است. فراوری زغال سنگ را نیز می توان با این فرایند انجام داد. در صنایع پتروشیمی نیز برای این که آلکن ها و آروماتیک ها به آلکان های اشباع و سیکلو آلکان ها تبدیل شوند، نیز هیدروژنه کردن استفاده می شود.