Idrogenazione catalitica: addizione di idrogeno agli alcheni

L’idrogenazione catalitica aggiunge una molecola di idrogeno (H₂) a un doppio legame, trasformando un alchene in un alcano. La reazione non avviene da sola: ha bisogno di un catalizzatore metallico che attivi l’idrogeno. È una delle reazioni più importanti dell’industria chimica, dalla produzione di alimenti ai carburanti, e in laboratorio è il modo standard per ridurre i doppi legami.

Vediamo perché serve il catalizzatore, come avviene l’addizione sulla superficie del metallo, perché è un’addizione syn, che cosa misura il calore di idrogenazione e come si può fermare la reazione a metà su un alchino.

Perché serve un catalizzatore

La reazione fra un alchene e l’idrogeno molecolare è favorita dal punto di vista energetico, ma a temperatura ambiente è di fatto bloccata: la molecola di idrogeno è troppo stabile per reagire da sola. Serve un catalizzatore — di solito un metallo come palladio, platino o nichel finemente suddivisi — che abbassi la barriera energetica spezzando la molecola di idrogeno in atomi reattivi sulla propria superficie.

L’addizione sulla superficie del metallo

Si tratta di una catalisi eterogenea: il catalizzatore è un solido, i reagenti arrivano dalla fase liquida o gassosa. Sulla superficie del metallo la molecola di idrogeno si dissocia in atomi di idrogeno adsorbiti; anche l’alchene si avvicina e si lega debolmente alla superficie. I due atomi di idrogeno passano quindi sul doppio legame. Al termine il prodotto, ormai saturo, si stacca e libera la superficie per un nuovo ciclo.

C=C  +  H₂  (catalizzatore: Pd, Pt, Ni)  →  H–C–C–H  (addizione syn)

Una addizione syn

Poiché i due atomi di idrogeno si trasferiscono dalla superficie del metallo, arrivano sul doppio legame dalla stessa faccia: l’addizione è syn. Su alcheni che generano centri stereogenici, questo si traduce in una stereochimica definita del prodotto. È la stessa logica syn che ritroviamo nell’idroborazione e nella diidrossilazione, qui dovuta al fatto che entrambi gli idrogeni provengono dal piano del catalizzatore.

Il calore di idrogenazione

L’idrogenazione libera energia: il calore di idrogenazione è il calore sviluppato quando un doppio legame viene saturato. Confrontando i valori di alcheni diversi si ottiene una misura della loro stabilità relativa: un alchene più stabile libera meno calore quando viene idrogenato, perché parte da un livello energetico più basso. È così che si è dimostrato, per esempio, che gli alcheni più sostituiti e quelli coniugati sono più stabili.

Fermarsi a metà: la riduzione selettiva

Con catalizzatori opportuni si può controllare quanto a fondo spingere la riduzione. Un alchino, per esempio, può essere idrogenato fino all’alcano oppure fermato allo stadio di alchene usando un catalizzatore parzialmente disattivato: in quel caso si ottiene selettivamente l’alchene cis, perché l’addizione resta syn. Questa selettività è preziosa quando in una molecola convivono più legami multipli e se ne vuole ridurre solo uno.

Quadro d’insieme

L’idrogenazione catalitica satura i doppi legami aggiungendo idrogeno sulla superficie di un metallo, con stereochimica syn. È un esempio da manuale di catalisi eterogenea, fornisce con il calore di idrogenazione una misura della stabilità degli alcheni e, scegliendo il catalizzatore, consente riduzioni selettive. È una reazione tanto semplice da scrivere quanto centrale nella pratica industriale.

Domande frequenti

Perché l’idrogenazione ha bisogno di un catalizzatore?

Perché la molecola di idrogeno è troppo stabile per reagire da sola a temperatura ambiente, anche se la reazione è favorita dal punto di vista energetico. Il catalizzatore metallico abbassa la barriera dissociando l’idrogeno in atomi reattivi sulla propria superficie. Senza catalizzatore l’alchene e l’idrogeno gassoso possono coesistere indefinitamente senza reagire in misura apprezzabile.

Che cosa significa catalisi eterogenea?

Significa che il catalizzatore si trova in una fase diversa da quella dei reagenti: qui è un metallo solido, mentre l’alchene e l’idrogeno arrivano dalla fase liquida o gassosa. La reazione avviene sulla superficie del solido, dove le molecole si adsorbono, reagiscono e poi il prodotto si stacca. È il contrario della catalisi omogenea, in cui catalizzatore e reagenti sono nella stessa fase.

Perché l’addizione di idrogeno è syn?

Perché entrambi gli atomi di idrogeno provengono dalla superficie del metallo e si trasferiscono al doppio legame dalla stessa faccia. Di conseguenza, su alcheni che danno luogo a centri stereogenici, il prodotto ha una stereochimica definita. È la stessa logica «stessa faccia» che si incontra nell’idroborazione e nella diidrossilazione, qui imposta dal piano del catalizzatore.

Che cos’è il calore di idrogenazione?

È il calore liberato quando un doppio legame viene saturato con idrogeno. Confrontando i valori di alcheni diversi si misura la loro stabilità relativa: un alchene più stabile parte da un livello energetico più basso e quindi libera meno calore. È stato uno degli strumenti sperimentali con cui si è dimostrato che gli alcheni più sostituiti e quelli coniugati sono più stabili.

Si può idrogenare un alchino solo fino all’alchene?

Sì, usando un catalizzatore parzialmente disattivato si può fermare la riduzione allo stadio di alchene invece di proseguire fino all’alcano. Poiché l’addizione resta syn, si ottiene selettivamente l’alchene cis. Questa riduzione parziale e selettiva è molto utile quando una molecola contiene più legami multipli e se ne vuole ridurre solo uno, lasciando intatti gli altri.