Hydrogénation

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Organic Chemistry II

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Hydrogenation

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06:06 min

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February 22, 2017

Overview

Source : Vy M. Dong et Zhiwei Chen, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Cette expérience fera la démonstration de l’hydrogénation de la chalcone à titre d’exemple d’une réaction d’hydrogénation alcène (Figure 1). Dans cette expérience, palladium sur carbone (Pd/C) servira de catalyseur hétérogène pour le processus. Un ballon servira à fournir l’atmosphère d’hydrogène.

Figure 1 : Schéma montrant l’hydrogénation de la chalcone à 3-phénylpropiophénone.

Principles

L’ajout d’hydrogène dans une unité d’insaturation s’appelle une réaction d’hydrogénation. Depuis sa découverte en 1897 par Paul Sabatier, l’hydrogénation catalysée par des métaux de liaisons π, comme les alcènes (Figure 2), est devenu un processus important dans la chimie. Au cours des années, nouvelles et plus robustes des catalyseurs ont été développés, qui a élargi la portée de ce processus et activé l’hydrogénation d’être asymétrique. Lorsqu’on utilise un catalyseur hétérogène, le mécanisme accepté (Figure 3) commence par l’adsorption d’hydrogène à la surface du catalyseur Pd/C. Ensuite, la liaison de l’alcène se produit suivie de deux transferts d’hydrure séquentielle qui fournissent les alcanes saturés. Sous un catalyseur homogène, le mécanisme est différent ; Notez que la fonctionnalité de cétone peut aussi subir une réduction. Toutefois, l’hydrogénation catalytique est chimiosélective vers le groupement alcène.

Figure 2 : Diagramme montrant la réaction d’hydrogénation des alcènes générales.

Figure 3 : Diagramme montrant le mécanisme de l’hydrogénation catalytique d’alcène.

Procedure

Ajouter 210 mg de chalcone, 12 mg de 5 % Pd/C et 8 mL de MeOH dans un ballon à fond rond 25 mL équipé d’une barre d’agitation magnétique.
Sceller le ballon à fond rond avec un septum en caoutchouc et commencer à remuer le mélange réactionnel.
Obtenir un ballon d’hydrogène de la bouteille de gaz hydrogène et mettre de côté.
Avec une aiguille, appliquer un vide au milieu réactionnel jusqu’à ce que bouillonnant est observée.
Arrêter le vide et insérez le ballon à hydrogène.
Après 30 s, enlever le ballon à hydrogène.
Répétez les étapes 4-6, trois fois plus.
Insérez le ballon à hydrogène et laisser le mélange réactionnel à remuer pendant 30 min.
Enlever le ballon à hydrogène et le septum. Filtre à vide le mélange réactionnel par une plaquette de Célite dans un ballon à fond rond taré.
Éliminer le solvant évaporateur rotatif pour obtenir le produit 3-phénylpropiophénone sous forme de solide blanc.
Calculer le pourcentage céder et établir son identité par le point de fusion et ¹H RMN et la pureté.

Depuis sa découverte en 1897 par Paul Sabatier, métal hydrogénation catalysée par des liaisons π, comme les alcènes, est devenu un processus important en chimie organique.

L’hydrogénation est une réaction chimique qui ajoute de l’hydrogène à travers des liaisons non saturées dans un composé organique.

L’utilisation de réactions d’hydrogénation s’étend au-delà de la synthèse organique en laboratoire, et il a des applications importantes dans l’énergie, industries alimentaires et pharmaceutiques.

Cette vidéo illustre les principes de l’hydrogénation, une procédure pour hydrogénation chalcone et certaines applications de laboratoire.

L’hydrogénation d’une liaison carbone-carbone doublé est une réaction de réduction, avec une molécule d’hydrogène ajoutant à travers la liaison. Un catalyseur hétérogène contenant du palladium, de platine ou de nickel est généralement nécessaire pour le processus de se produire.

La réaction est généralement réalisée à température ambiante avec le composé insaturé dissous dans un solvant approprié, tel qu’un alcool ou d’acide acétique. Une petite quantité de catalyseur est ajoutée à cette solution, qui est alors secouée et agitée en présence d’hydrogène gazeux.

L’hydrogénation est initiée en absorbant le gaz d’hydrogène sur la surface du catalyseur métallique. Cela se traduit par la dissociation des deux atomes d’hydrogène.

Ensuite, les composés organiques insaturés se fixe sur le catalyseur via sa liaison π, qui autorise deux transferts d’hydrure séquentielle sur la paire de carbone. Enfin, la liaison simple carbone-carbone hydrogéné est libérée du catalyseur et le processus se répète jusqu’à ce que la limitation des réactifs sont épuisé.

Maintenant que nous avons discuté des principes de l’hydrogénation, regardons l’hydrogénation de la chalcone utilisant un catalyseur hétérogène.

Pour commencer la procédure, recueillir les réactifs et les produits de verre et les amener sur le banc de laboratoire. Ajouter 210 mg de chalcone, 12 mg de palladium-carbone de 10 %, 1 mL d’acétate d’éthyle et 8 mL de méthanol à un ballon à fond rond 25 mL équipé d’une barre d’agitation magnétique.

Puis, sceller la fiole avec un septum en caoutchouc et commencer à remuer la réaction sur une plaque de remuer. Même si le mélange est remuant, remplir un ballon avec une aiguille et d’une soupape joint, à l’aide d’hydrogène à partir d’un cylindre.

Maintenant, avec la vanne fermée, introduire l’aiguille dans le bouchon en caoutchouc sur la fiole et appliquer un vide à l’autre ouverture sur le flacon. Quand bouillonnant est observée dans le mélange, couper le vide.

Maintenant, ouvrez le robinet et permettre à hydrogène s’écouler dans la fiole. Après 30 secondes, enlever le ballon à hydrogène et fermez-le hermétiquement. Répétez les étapes d’infusion sous vide et de l’hydrogène trois fois plus.

Le dernier cycle, laisser le ballon à hydrogène attaché au ballon et laisser le mélange réactionnel remuer pendant 30 minutes.

Pour collecter les produits de réaction, commencez par retirer le ballon à hydrogène et le septum. Vide puis filtrer le mélange réactionnel par une plaquette de Célite dans un ballon à fond rond taré.

Enfin, enlever le solvant évaporateur rotatif pour obtenir le produit, qui devrait être un solide blanc dans l’aspect. Rendement est déterminé par la pesée du contenu de la fiole de taré. L’identité de ce composé peut être ensuite confirmée via le point de fusion 1H et analyse NMR.

Dans cette procédure, un rendement de 72 % provient de l’hydrogénation de la chalcone. Une gamme de point de fusion de 65-70 ° C a été mesurée pour l’échantillon obtenu, qui concorde avec les données publiées pour le 3-phénylpropiophénone. De plus, les pics obtient 1H NMR matches les environnements hydrogène prévu pour le composé saturé.

Maintenant que nous avons regardé une procédure pour hydrogénation, nous allons jeter un oeil à certaines applications.

Dans l’industrie de l’énergie, des combustibles synthétiques sont produits provenant de sources autres que des hydrocarbures, comme le charbon et la biomasse. Friedrich Bergius, qui a remporté le prix Nobel en 1931 pour sa découverte, invente un procédé pour traiter le charbon avec de l’hydrogène et un catalyseur métallique sous haute température et la pression aux hydrocarbures de la forme.

Bio-carburant, une source d’énergie chimique dérivée du bois, l’herbe, les déchets agricoles et autres biomasses, on élabore une durable et carbone neutre alternative aux combustibles fossiles. Dans cette application, hydrogénation catalysée de ruthénium et cobalt, molybdène médiée hydrodésoxygénation servent à enlever des groupements réactifs de vinyle et de l’oxygène. Hydrotraitée combustibles sont moins corrosifs et ont une plus grande stabilité thermique.

Vous avez juste regardé les vidéo de JoVE sur l’hydrogénation. Vous devez maintenant comprendre les concepts de cette réaction, comment elle est réalisée en laboratoire et certaines de ses applications. Merci de regarder !

Results

3-phénylpropiophénone a été obtenue sous forme de solide blanc (150 mg, 71 % de rendement) ; député de 65-70 ° C ; ¹ H RMN (400 MHz, CDCl₃) δ 8,00 (d, J = 7,2 Hz, 2 H), 7.59 (t, J = 7,2 Hz, 1 H), 7,49 (t, J = 7,6 Hz, 2 H), 7.37-7.26 (m, 5 H), 3.35 (t, J = 7,2 Hz, 2 H), 3.12 (t, J = 7,6 Hz, 2 H)

Applications and Summary

Dans cette expérience, nous avons démontré une réaction d’hydrogénation catalytique d’un alcène. Chalcone est hydrogénée pour former le 3-phénylpropiophénone.

L’hydrogénation est une réaction exothermique (libère la chaleur) car l’alcane produit est plus stable que l’alcène de réactif. Le montant si la chaleur dégagée par la réaction peut servir d’indicateur de la stabilité de l’alcène. Dans l’industrie alimentaire, hydrogénation est utilisé pour le traitement des huiles végétales, qui sont triglycérides portant plusieurs unités de l’alcène. Variant les conditions de réaction contrôle le degré d’hydrogénation. L’hydrogénation est utilisée pour la synthèse industrielle d’hydrocarbures à partir du charbon. Ceci est connu comme le procédé Bergius et sert au traitement du charbon (carbone élémentaire) à haute pression d’hydrogène et un catalyseur métallique sous haute température. Son inventeur, Friedrich Bergius a reçu le prix Nobel de chimie en 1931.

Transcript

Since its discovery in 1897 by Paul Sabatier, metal catalyzed hydrogenation of π-bonds, such as alkenes, has evolved into an important process in organic chemistry.

Hydrogenation is a chemical reaction that adds hydrogen across unsaturated bonds in an organic compound.

The use of hydrogenation reactions extends beyond organic synthesis in the laboratory, and it has important applications in the energy, food, and pharmaceutical industries.

This video will illustrate the principles of hydrogenation, a procedure for hydrogenating chalcone, and some laboratory applications.

Hydrogenation of a carbon-carbon doubled bond is a reduction reaction, with a hydrogen molecule adding across the bond. Typically a heterogeneous catalyst containing palladium, platinum, or nickel is required for the process to occur.

The reaction is usually performed at room temperature with the unsaturated compound dissolved in a suitable solvent, such as an alcohol or acetic acid. A small amount of catalyst is added to this solution, which is then shaken and stirred in the presence of hydrogen gas.

Hydrogenation is initiated by hydrogen gas absorbing onto the surface of the metal catalyst. This results in dissociation of the two hydrogen atoms.

Next, the unsaturated organic compound attaches to the catalyst via its π-bond, which allows for two sequential hydride transfers onto the carbon pair. Finally, the hydrogenated carbon-carbon single bond is freed from the catalyst and the process repeats until the limiting reactant is exhausted.

Now that we have discussed the principles of hydrogenation, let’s look at the hydrogenation of chalcone using a heterogeneous catalyst.

To begin the procedure, collect the reagents and glassware, and bring them to the lab bench. Add 210 mg of chalcone, 12 mg of 10% palladium-carbon, 1 mL of ethyl acetate, and 8 mL of methanol to a 25-mL round-bottom flask equipped with a magnetic stir bar.

Then, seal the flask with a rubber septum and start stirring the reaction on a stir plate. While the mixture is stirring, fill a balloon with a needle and a valve attached, using hydrogen from a cylinder.

Now, with the valve closed, insert the needle into the rubber septum on the flask and apply a vacuum to the other opening on the flask. When bubbling is observed in the mixture, shut off the vacuum.

Now open the valve and allow hydrogen to flow into the flask. After 30 seconds, remove the hydrogen balloon and seal it. Repeat the vacuum and hydrogen infusion steps three more times.

On the last cycle, leave the hydrogen balloon attached to the flask and let the reaction mixture stir for 30 minutes.

To collect the reaction products, first remove the hydrogen balloon and the septum. Then vacuum filter the reaction mixture through a pad of celite into a tared round-bottom flask.

Finally, remove the solvent by rotary evaporation to obtain the product, which should be a white solid in appearance. Yield is determined by weighing the contents of the tared flask. The identity of the compound can then be confirmed via melting point analysis and 1H NMR.

In this procedure a yield of 72% is obtained from the hydrogenation of chalcone. A melting point range of 65 – 70 °C was measured for the sample obtained, which is consistent with published data for 3-phenylpropiophenone. Additionally, the peaks obtained from 1H NMR matches the expected hydrogen environments for the saturated compound.

Now that we’ve looked at a procedure for Hydrogenation, let’s take a look at some applications.

In the energy industry, synthetic fuels are produced from non-hydrocarbon sources, such as coal and biomass. Friedrich Bergius, who won the Nobel Prize in 1931 for his discovery, invented a process to treat coal with hydrogen and a metal catalyst under high temperature and pressure to form hydrocarbons.

Bio-fuel, a chemical energy source derived from wood, grass, agricultural waste and other biomass, is being developed as a sustainable and carbon neutral alternative to fossil fuels. In this application, ruthenium catalyzed hydrogenation and cobalt-molybdenum mediated hydrodeoxygenation are used to remove reactive vinyl and oxygen groups. Hydrotreated fuels are less corrosive and have greater thermal stability.

You’ve just watched JoVE’s video on Hydrogenation. You should now understand the concepts of this reaction, how it is performed in the laboratory, and some of its applications. Thanks for watching!