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<!DOCTYPE html>

<title>Hydrierung</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Hydrierung</span></h1>

</header>

</div>

<div id="mw-content-text" class="mw-body-content mw-content-ltr" lang="de" dir="ltr"><div class="mw-content-ltr mw-parser-output" lang="de" dir="ltr"><p>Unter <b>Hydrierung</b> versteht man in der <a href="Chemie" title="Chemie">Chemie</a> die <a href="Additionsreaktion" title="Additionsreaktion">Addition</a> von <a href="Wasserstoff" title="Wasserstoff">Wasserstoff</a> an andere <a href="Chemisches_Element" title="Chemisches Element">chemische Elemente</a> oder <a href="Chemische_Verbindung" title="Chemische Verbindung">Verbindungen</a>. Eine in der <a href="Organische_Chemie" title="Organische Chemie">organischen Chemie</a> sehr häufig durchgeführte <a href="Chemische_Reaktion" title="Chemische Reaktion">chemische Reaktion</a> ist die <a href="Additionsreaktion" title="Additionsreaktion">addierende</a> Hydrierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-<a href="Doppelbindung" title="Doppelbindung">Doppelbindungen</a>. Hydrierungen haben eine große industrielle Bedeutung wie z. B. bei der katalytischen Hydrierung von <a href="Fetts%C3%A4ure" class="mw-redirect" title="Fettsäure">Fettsäuren</a> (Fetthärtung) bei der Herstellung von <a href="Margarine" title="Margarine">Margarine</a>.

Die umgekehrte Reaktion heißt <a href="Dehydrierung" title="Dehydrierung">Dehydrierung</a>.

</p><p>Die katalytische Hydrierung wurde in den 1890er Jahren von <a href="Paul_Sabatier_(Chemiker)" title="Paul Sabatier (Chemiker)">Paul Sabatier</a> in Zusammenarbeit mit <a href="Jean_Baptiste_Senderens" title="Jean Baptiste Senderens">Jean Baptiste Senderens</a> in Frankreich entwickelt. Sabatier erhielt dafür 1912 den Nobelpreis.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Heterogenkatalytische_Hydrierung">Heterogenkatalytische Hydrierung</h2></div>

<p>Aufgrund der hohen Stabilität des Wasserstoffmoleküls (die <a href="Dissoziation_(Chemie)" title="Dissoziation (Chemie)">Dissoziations</a>-<a href="Enthalpie" title="Enthalpie">Enthalpie</a> <i>ΔH<sup>0</sup></i> für die Reaktion H<sub>2</sub>→2H* beträgt 434 kJ·mol<sup>−1</sup>) benötigt man für die Hydrierung in der Regel einen <a href="Katalysator" title="Katalysator">Katalysator</a>. 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 <a href="Oxidationszahl" title="Oxidationszahl">Oxidationszahlen</a> der betroffenen Elemente werden dabei um jeweils eins reduziert.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Homogenkatalytische_Hydrierung">Homogenkatalytische Hydrierung</h2></div>

<p>Die <a href="Homogene_Katalyse" title="Homogene Katalyse">homogenkatalytische Hydrierung</a>, etwa mit dem <a href="Wilkinson-Katalysator" title="Wilkinson-Katalysator">Wilkinson-Katalysator</a>, wird überwiegend zur Hydrierung von <a href="Alkene" title="Alkene">Alkenen</a> mit <a href="Wasserstoff" title="Wasserstoff">Wasserstoff</a> genutzt.

</p><p>Durch Abspaltung eines labilen <a href="Ligand" title="Ligand">Liganden</a> wird in einem nachfolgenden Schritt Wasserstoff unter oxidativer Addition angelagert. Das <a href="Alkene" title="Alkene">Alken</a> (bzw. <a href="Olefin" class="mw-redirect" title="Olefin">Olefin</a>) 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.<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<p>Mit dem Wilkinson-Katalysator können selektiv endständige <a href="Doppelbindung" title="Doppelbindung">Doppelbindungen</a> hydriert werden.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Anwendungen_der_Hydrierung">Anwendungen der Hydrierung</h2></div>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Anwendung_in_der_organischen_Chemie">Anwendung in der organischen Chemie</h3></div>

<p>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 <a href="%C3%9Cbergangsmetalle" title="Übergangsmetalle">Übergangsmetalle</a>, meist auf Trägermaterialien wie <a href="Aktivkohle" title="Aktivkohle">Aktivkohle</a> 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.

</p><p>Besonders im Labormaßstab haben auch katalytische Hydrierungen mit <a href="Hydrazin" title="Hydrazin">Hydrazin</a>, Cyclohexadienen oder <a href="Ameisens%C3%A4ure" title="Ameisensäure">Ameisensäure</a> als Wasserstoffquelle eine praktische Bedeutung. Bei diesen Methoden entstehen mit <a href="Stickstoff" title="Stickstoff">Stickstoff</a> für Hydrazin, <a href="Benzol" title="Benzol">Benzol</a> für die Cyclohexadiene und <a href="Kohlenstoffdioxid" title="Kohlenstoffdioxid">Kohlendioxid</a> für die Ameisensäure <a href="Thermodynamisch" class="mw-redirect" title="Thermodynamisch">thermodynamisch</a> sehr stabile Verbindungen.

</p><p><a href="Alkene" title="Alkene">Alkene</a> und <a href="Alkine" title="Alkine">Alkine</a> können in <a href="Alkane" title="Alkane">Alkane</a> und im Falle der Alkine auch selektiv in (<i>E</i>)- bzw. (<i>Z</i>)-Alkene umgewandelt werden. Katalytisch hydriert werden können aber auch funktionelle Gruppen, die <a href="Heteroatom" title="Heteroatom">Heteroatome</a> enthalten, so z. B. <a href="Nitroverbindung" class="mw-redirect" title="Nitroverbindung">Nitroverbindungen</a> oder <a href="Imin" class="mw-redirect" title="Imin">Imine</a> zu <a href="Amine" title="Amine">Aminen</a>.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Hydrierkatalysatoren">Hydrierkatalysatoren</h4></div>

<div class="hauptartikel" role="navigation"><span class="hauptartikel-pfeil" title="siehe" aria-hidden="true" role="presentation">→ </span><i><span class="hauptartikel-text">Hauptartikel</span>: <a href="Hydrierkatalysatoren" title="Hydrierkatalysatoren">Hydrierkatalysatoren</a></i></div>

<p>Als <a href="Hydrierkatalysatoren" title="Hydrierkatalysatoren">Hydrierkatalysatoren</a> kommen vor allem Elemente der 8. <a href="Nebengruppe" title="Nebengruppe">Nebengruppe</a> des <a href="Periodensystem" title="Periodensystem">Periodensystems</a> zum Einsatz. Hier haben <a href="Palladium" title="Palladium">Palladium</a> und <a href="Nickel" title="Nickel">Nickel</a> besondere Bedeutung erlangt. Auch <a href="Platin" title="Platin">Platin</a>, <a href="Rhodium" title="Rhodium">Rhodium</a>, <a href="Ruthenium" title="Ruthenium">Ruthenium</a>, <a href="Kobalt" class="mw-redirect" title="Kobalt">Kobalt</a>, <a href="Eisen" title="Eisen">Eisen</a>, <a href="Kupferchromit" title="Kupferchromit">Kupferchromit</a> und Zinkchromit werden als Hydrierkatalysatoren eingesetzt.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Katalysatorgifte">Katalysatorgifte</h4></div>

<p>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. <a href="Lindlar-Katalysator" title="Lindlar-Katalysator">Lindlar-Katalysator</a>). Klassische Katalysatorgifte sind schwefelhaltige Verbindungen (<a href="Thiolgruppe" class="mw-redirect" title="Thiolgruppe">Thiole</a>), bei denen die Giftwirkung mit der Länge der Alkylketten steigt.

Grundsätzlich lassen sich die Katalysatorgifte in drei Gruppen einteilen:

</p>

<ol><li>Gruppe: dazu gehören Elemente wie <a href="Stickstoff" title="Stickstoff">Stickstoff</a>, <a href="Phosphor" title="Phosphor">Phosphor</a>, <a href="Arsen" title="Arsen">Arsen</a>, <a href="Antimon" title="Antimon">Antimon</a>, <a href="Schwefel" title="Schwefel">Schwefel</a>, <a href="Selen" title="Selen">Selen</a>, <a href="Tellur" title="Tellur">Tellur</a>, <a href="Brom" title="Brom">Brom</a>, <a href="Iod" title="Iod">Iod</a> und zum Teil auch <a href="Chlor" title="Chlor">Chlor</a>.</li>

<li>Gruppe: Metalle und Metallionen – für Platin als Katalysator sind das zum Beispiel: Cu<sup>2+</sup>, Cu<sup>+</sup>, Ag<sup>+</sup>, Au<sup>+</sup>, Zn<sup>2+</sup>, Cd<sup>2+</sup>, Hg<sub>2</sub><sup>2+</sup>, Hg<sup>2+</sup>, Mn<sup>2+</sup>, Fe<sup>2+</sup>, Co<sup>2+</sup> und Ni<sup>2+</sup>.</li>

<li>Gruppe: Komplexbildner für Übergangsmetalle wie z. B. Cyanidionen, Kohlenmonoxid oder Benzol.</li></ol>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Hydrierung_von_Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen">Hydrierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen</h4></div>

<p>Eine wichtige Anwendung der katalytischen Hydrierung ist die Hydrierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen; sie wird technisch in großem Umfang angewandt, beispielsweise in der <a href="Fetth%C3%A4rtung" title="Fetthärtung">Fetthärtung</a>. Die Hydrierung erfolgt hier in der Regel mit Wasserstoff und einem nicht löslichen Katalysator wie Palladium, Platin, Iridium oder Nickel (<a href="Raney-Nickel" title="Raney-Nickel">Raney-Nickel</a>).

</p>

<p>Bei der Hydrierung von <a href="Alkine" title="Alkine">Alkinen</a> wird aus der <a href="Dreifachbindung" title="Dreifachbindung">Dreifachbindung</a> zunächst eine Doppelbindung gebildet, die in der (<i>E</i>)- oder der (<i>Z</i>)-Form vorliegen kann. Mit geeigneten Katalysatoren kann das eine oder andere <a href="Stereoisomere" class="mw-redirect" title="Stereoisomere">Stereoisomer</a> bevorzugt erhalten werden. Gewöhnlich werden die Alkene schnell zu den Alkanen weiterhydriert; mit speziellen Katalysatoren (<a href="Lindlar-Katalysator" title="Lindlar-Katalysator">Lindlar-Katalysator</a>) kann die Hydrierung aber auf der Stufe des Alkens angehalten werden.

</p>

<p>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 <a href="Fetth%C3%A4rtung" title="Fetthärtung">Fetthärtung</a>. 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 <a href="#Margarineherstellung_durch_Fetthärtung">unterer Abschnitt</a>).

</p><p>Die Hydrierwärme (Hydrierenthalpie) kann als Maß für die Stabilität verschiedener ungesättigter Verbindungen herangezogen werden. So kann durch Vergleich der Hydrierwärmen von <a href="Cyclohexen" title="Cyclohexen">Cyclohexen</a> und <a href="1%2C3-Cyclohexadien" title="1,3-Cyclohexadien">1,3-Cyclohexadien</a> die theoretische Hydrierwärme des nicht existenten Cylohexatriens berechnet werden und daraus mit dem Vergleich zur Hydrierwärme von <a href="Benzol" title="Benzol">Benzol</a> auf die Resonanzstabilisierung durch das <a href="Aromat" class="mw-redirect" title="Aromat">aromatische System</a> im Benzol geschlossen werden.

</p><p>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.

</p><p>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.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Hydrierung_anderer_Mehrfachbindungen">Hydrierung anderer Mehrfachbindungen</h4></div>

<p>Durch katalytische Hydrierung können auch Heteroatom-Kohlenstoff und Heteroatom-Heteroatom-Mehrfachbindungen reduziert werden. Besonders von Bedeutung sind hier die Hydrierung von Nitrogruppen, <a href="Imin" class="mw-redirect" title="Imin">Iminen</a> und <a href="Oxim" class="mw-redirect" title="Oxim">Oximen</a> zu den entsprechenden Aminen und von <a href="Heterocyclen" title="Heterocyclen">heterocylischen</a> aromatischen Verbindungen zu den entsprechenden gesättigten Ringsystemen.

</p><p><span typeof="mw:File"></span>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Hydrierungen_als_Verfahren_zum_Entfernen_von_Schutzgruppen">Hydrierungen als Verfahren zum Entfernen von Schutzgruppen</h4></div>

<p>Aufgrund der häufig milden Bedingungen eignet sich die katalytische Hydrierung auch zum Entfernen von <a href="Schutzgruppe" title="Schutzgruppe">Schutzgruppen</a>. Besonders sind hier zu nennen die <a href="Benzyl" class="mw-redirect" title="Benzyl">Benzylgruppe</a> die im Falle von Benzylethern, Benzylestern Alkohole bzw. <a href="Carbons%C3%A4uren" title="Carbonsäuren">Carbonsäuren</a> schützen oder aber in der Peptidchemie die <a href="Benzylchlorformiat" class="mw-redirect" title="Benzylchlorformiat">Benzyloxycarbonyl</a>-Gruppe oder auch Z-Gruppe (Cbz) genannt.

</p><p><span typeof="mw:File"></span>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Margarineherstellung_durch_Fetthärtung"><span id="Margarineherstellung_durch_Fetth.C3.A4rtung"></span>Margarineherstellung durch Fetthärtung</h4></div>

<p>Die Hydrierung wird auch bei der <a href="Fetth%C3%A4rtung" title="Fetthärtung">Fetthärtung</a> von <a href="Pflanzen%C3%B6le" title="Pflanzenöle">Pflanzenölen</a> zur Herstellung von <a href="Margarine" title="Margarine">Margarine</a> verwendet (<a href="Wilhelm_Normann" title="Wilhelm Normann">Wilhelm Normann</a>, 1901). Dabei werden Doppelbindungen in den <a href="Fetts%C3%A4uren" title="Fettsäuren">Fettsäure</a>-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 <a href="Nickel" title="Nickel">Nickel</a> 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 <a href="Trans-Fetts%C3%A4uren" title="Trans-Fettsäuren"><i>trans</i>-Fettsäuren</a> entstehen.<sup id="cite_ref-Ariens_2-0" class="reference"><a href="#cite_note-Ariens-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> 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.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Siehe_auch">Siehe auch</h2></div>

<ul><li><a href="Kohleverfl%C3%BCssigung" title="Kohleverflüssigung">Kohleverflüssigung</a></li>

<li><a href="Stereoselektive_Hydrierung" title="Stereoselektive Hydrierung">Stereoselektive Hydrierung</a></li>

<li><a href="Platinschwamm" class="mw-redirect" title="Platinschwamm">Platinschwamm</a></li>

<li><a href="Raney-Nickel" title="Raney-Nickel">Raney-Nickel</a></li>

<li><a href="Urushibara-Katalysatoren" title="Urushibara-Katalysatoren">Urushibara-Katalysatoren</a></li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li><a href="Felix_Zymalkowski" title="Felix Zymalkowski">Felix Zymalkowski</a>: <i>Katalytische Hydrierung im organisch-chemischen Laboratorium</i> (Sammlung chemischer und chemisch-technischer Beiträge/N.F.; Bd. 61). Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1965.</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text"><a href="Hans_Beyer" title="Hans Beyer">Hans Beyer</a>, <a href="Wolfgang_Walter" title="Wolfgang Walter">Wolfgang Walter</a>: <i><a href="Beyer-Walter_Lehrbuch_der_Organischen_Chemie" title="Beyer-Walter Lehrbuch der Organischen Chemie">Lehrbuch der organischen Chemie</a></i>. 23. Aufl. Hirzel Verlag, Stuttgart 1998, S. 406f., ISBN 3-7776-0808-4.</span>

</li>

<li id="cite_note-Ariens-2"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-Ariens_2-0">↑</a></span> <span class="reference-text">An Philippaerts, Pierre A. Jacobs, Bert F. Sels: Hat die Hydrierung von Pflanzenölen noch eine Zukunft?, Angew. Chem. 125 (2013) 5328–5334, <a href="https://doi.org/10.1002/ange.201209731" class="extiw external" title="doi:10.1002/ange.201209731">doi:10.1002/ange.201209731</a>.</span>

</li>

</ol></div><div><div class="zim-footer">

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