Existen diferentes maneras de configurar un sistema de hidrogenación. Si se va a realizar el proceso a presión atmosférica, el material esencial será el matraz de reacción (deberá tener dos bocas como mínimo si se desea purgarlo mediante vacío), un septum, un kit de globo, llave de plástico y aguja, y un sistema de agitación. Si la agitación es magnética se necesitará un núcleo magnético y si es mecánica habrá que acoplar un sistema de agitación mecánica en la boca central del matraz. Si hay que utilizar presiones y/o temperaturas elevadas, el reactor tendrá que ser de vidrio especial de paredes gruesas o metálico (acero inoxidable, titanio, níquel o circonio, entre otros). Estos reactores suelen tener una tapa que va atornillada al cuerpo del reactor o fijada mediante bridas (reactores de vidrio), provista de un adaptador para agitación mecánica, de un medidor de presión y un número variable de válvulas, de tal manera que se pueden utilizar, por ejemplo, adaptadores para la recogida de muestras o para la medición de la temperatura. La casa comercial Parr Instruments suministra un aparato para hidrogenar compacto y fácil de manipular que trabaja con reactores de vidrio (hasta 60 bar y 80°C) y que dispone de un tanque para almacenar 4 L de hidrógeno; está diseñado de tal manera que permite un control preciso del consumo de gas durante la reacción. La hidrogenación en continuo requiere una instrumentación específica y el catalizador adecuado para la reacción que se quiere llevar a cabo.
El montaje del sistema de hidrogenación se tiene que realizar en una vitrina bien ventilada y tiene que estar bien fijado con pinzas a apoyos metálicos. Las diferentes piezas que componen el sistema tienen que estar bien ensambladas para evitar fugas de hidrógeno.
El procedimiento dependerá de si la hidrogenación se lleva a cabo a presión atmosférica, a presión (y/o temperatura) elevada o en continuo.
Catalitzadores
Hay dos tipos de catalizadores metálicos, los heterogéneos (insolubles) y los homogéneos (solubles), siendo los primeros los más utilizados. Los catalizadores heterogéneos son esencialmente mezclas de un metal del grupo del platino (o una sal del mismo) y carbono, o aleaciones en las cuales participa el níquel. Estos metales son muy activos y, por lo tanto, son utilizados a presión y temperatura normales o ligeramente superiores. Actualmente se dispone de un gran número de catalizadores, como pueden ser diferentes mezclas de paladio, platino o rodio con carbono (5-10% de metal), mezclas de Pd(OH)2 con carbono (catalizador de Pearlman), y aleaciones de níquel y aluminio (nickel Raney) o níquel y cobalto (cobalto Raney). La reactividad de estos catalizadores puede ser disminuida cuando se mezclan con sales inorgánicas como CaCO3 o BaSO4, o compuestos orgánicos como la quinoleïna, permitiendo de este modo un mejor control de la reacción de reducción. En estos casos, se requieren temperaturas y presiones más elevadas. Uno de los catalizadores de este tipo más tradicionales es la mezcla de Pd/CaCO3 con Pb(AcO)2 o quinoleïna (catalizador de Lindlar). Ciertas sales mixtas de cobre y cromo también se utilizan como catalizadores pero tienen una actividad inferior a la de los anteriormente citados.
Catalizadores homogéneos representativos son el catalizador de Wilkinson (RhCl(PPh3)3) y el catalizador de Crabtree ([Ir(cod(PCy3)(py)]PF6). La actividad y selectividad de este catalizador se ajusta cambiando los ligandos del iridio, de tal manera que estos catalizadores son sensibles al impedimento estérico y pueden tener una influencia importante en la estereoselectividad de la reacción. Estos catalizadores son menos activos que los catalizadores heterogéneos.
Presión atmosférica
Es la forma de hidrogenar original y más utilizada. Una manera sencilla de llevarla a cabo es añadir la disolución de reactivo al catalizador sólido colocado en un matraz previamente purgado con nitrógeno o argon. El balón se cierra con un septum y a través de este el hidrógeno se introduce mediante un globo lleno de gas procedente de una botella de hidrógeno y provisto de una aguja fijada con un adaptador. La mezcla se puede agitar magnéticamente o mecánicamente. El hidrógeno se consume durante la reacción y, por lo tanto, hay que rellenar el globo si es necesario. (Fig 2.8a-28b).
Fig 2.8a Fig 2.8b
Presiones y/o temperaturas elevadas
Se requiere un reactor de vidrio o metálico con suministro de hidrógeno directamente de la botella. Con los reactores de vidrio se puede trabajar hasta 10-15 bar y a temperaturas de hasta 200-250°C (Fig 2.9a); con los metálicos se puede trabajar a presiones superiores a los 300 bar y temperaturas superiores a los 300°C (Fig.2.9b).
Fig 2.9a
Fig 2.9b
En continuo
Es un sistema específico y de fácil accesibilidad que permite hacer hidrogenaciones a pequeña escala de forma continua y segura. La hidrogenación se lleva a cabo con gran eficiencia y es compatible con temperaturas de hasta 100°C y presiones de hasta 100 bar, por lo que permite un amplio rango de reacciones minimizando el contacto con el catalizador. El sistema utiliza tecnología de HPLC puesto que la técnica consiste en hacer fluir mediante una bomba una solución diluida de reactivo previamente combinada con hidrógeno a través de una columna rellenada de un soporte catalítico. No es necesario manipular hidrógeno puesto que éste se genera in situ por hidrólisis del agua, y la utilización de catalizadores preempaquetados con un soporte sólido elimina la filtración de catalizadores pirofóricos. La escala de trabajo oscila entre 10 g y 100 g de reactivo y permite obtener resultados en 5 min (Fig 2.10).
Fig 2.10
