Jeżeli nienasycone tłuszczetłuszczetłuszcze powstają z kwasów, w których występują wiązania wielokrotne, to mają one zdolność do przyłączania cząsteczek, m.in. wodoru, do tych wiązań. Wówczas z tłuszczu nienasyconego otrzymuje się tłuszcz nasycony, a cały proces nasycania wiązań wielokrotnych wodorem określa się mianem utwardzania. Dzieje się tak w wyniku zmiany stanu skupienia tłuszczu – z ciekłego na stały. Należy przy tym zaznaczyć, że to powszechnie używane sformułowanie nie jest w pełni poprawne, ponieważ nie wszystkie tłuszcze nienasycone występują w ciekłym stanie skupienia, np. masło orzechowe występuje w stałym stanie skupienia, a złożone są w większości z tłuszczów nienasyconych. Utwardzanie to przemysłowa nazwa katalitycznego uwodornienia, ponieważ cały proces polega na dodawaniu wodoru w obecności katalizatorakatalizatorkatalizatora (niklowego, platynowego lub palladowego) do momentu uzyskania pożądanej konsystencji tłuszczu.

Reakcja całkowitego uwodornienia polega na redukcji wiązań podwójnych do wiązań pojedynczych między atomami węgla, prowadząc do otrzymania trwałych, nasyconych tłuszczów. Zapewnia to całkowitą zmianę konsystencji z ciekłej na stałą. Możesz to zaobserwować w poniższej reakcji otrzymywania stearynianu glicerolu (oktadekanianu propano–$1$,$2$,$3$–triolu) z linolenianu glicerolu (oktadek–$9$,$12$–dienianu propano–$1$,$2$,$3$–triolu). Częściowemu utwardzaniu poddaje się tłuszcze ciekłe, które zawierają duże ilości nienasyconych kwasów tłuszczowych. Wówczas wielonienasycone reszty kwasowe przekształcają się w jednonienasycone, które często występują w niekorzystnej dla zdrowia konfiguracji transkonfiguracja cis/transkonfiguracji trans (inaczej konfiguracji $E$). Częściowe uwodornienie polega na redukcji wiązań podwójnych w łańcuchach nienasyconych wyższych kwasów karboksylowych i addycjiaddycja elektrofilowaaddycji do nich atomów wodoru. Jest to reakcja nietrwała, a wiązania podwójne mogą się częściowo odtworzyć. Jednak zmienia się orientacja przestrzenna podstawników wokół wiązania podwójnego i z konfiguracji cis (inaczej konfiguracji $Z$, naturalnie występującej) powstaje konfiguracja trans o całkowicie odmiennych, szkodliwych właściwościach.

Reakcja polega na redukcji wiązań podwójnych $\text{C}=\text{C}$ do wiązań pojedynczych i przyłączeniu się do nich atomów wodoru, na przykład tak jak przedstawiono poniżej.

Aby w pełni zrozumieć proces katalitycznego uwodornienia, należy prześledzić mechanizm tej reakcji. Przebieg addycji wodoru do nienasyconych tłuszczów różni się od typowej addycji elektrofilowej halogenów, halogenowodorów czy wody. Reakcja uwodornienia zachodzi na katalizatorze, najczęściej rozdrobnionym niklu, palladzie lub platynie. Uwodornienie tłuszczów nienasyconych najczęściej jednak przeprowadza się na katalizatorze niklowym w temperaturze $175$–$190°\text{C}$ oraz pod ciśnieniem $\mathrm{1,4}$–$\mathrm{2,75}$ atmciśnienie 1 atmatm. Schemat tej reakcji można przedstawić jak na ilustracji poniżej.

Aby cząsteczka wodoru przyłączyła się do wiązania podwójnego, najpierw musi dojść do jego rozerwania. Katalizator do reakcji uwodornienia jest dobierany tak, aby adsorbował wodór.

1. Zatem w pierwszym etapie następuje adsorpcja wodoru do katalizatora, czyli przyłączenie atomów wodoru w formie gazowej do powierzchni metalu.

2. Następnie do powierzchni katalizatora zbliża się cząsteczka zawierająca wiązanie podwójne.

3. W trakcie przyłączenia cząsteczki wodoru dochodzi do sytuacji, gdzie dwie płaskie struktury przyłączają się do siebie. W takim przypadku atomy wodoru mogą przyłączyć się jedynie po tej samej stronie, a w płaszczyźnie wiązania podwójnego (klin oznacza, że dana część wystaje przed płaszczyznę (skierowana do nas), a przerywane kreski oznaczają, że dana część cząsteczki skierowana jest za płaszczyznę).

4. Następnie od katalizatora odrywa się uwodorniona cząsteczka, w której hybrydyzacja atomów węgla zmienia się z $s{p}^2$ na $s{p}^3$. Wokół atomów węgla powstaje otoczenie tetraedryczne, gdzie cząsteczka ma budowę przestrzenną, a katalizator odtwarza się.

Słownik

konfiguracja cis/trans

konfiguracja cis/trans

konfiguracja trans, inaczej konfiguracja $E$; jedna z możliwości rozmieszczenia atomów lub grup atomów wokół wiązania podwójnego w izomerii geometrycznej; oznacza, że po dwóch stronach wiązania podwójnego te same atomy lub grupy atomów rozmieszczone są w przeciwnym kierunku; przeciwieństwem do konfiguracji trans jest konfiguracja cis (inaczej konfiguracja $Z$), która oznacza rozmieszczenie po dwóch stronach wiązania podwójnego tych samym atomów lub grup atomów w tym samym kierunku

R1HqXMT0CDvuX

Ilustracja przedstawiająca porównanie konfiguracji cis oraz trans. Po lewej stronie schematu znajduje się cis-alken, pomiędzy dwoma atomami węgla znajduje się wiązanie podwójne, atomy węgla łączą się każdy z podstawnikiem a oraz b, które znajdują się po przeciwległych stronach wiązania podwójnego. Innymi słowy, jeżeli płaszczyzna cząsteczki jest prostopadła do płaszczyzny monitora, a wiązanie podwójne znajduje się na monitorze, to podstawniki a będą znajdowały się po tej samej stronie, na przykład za płaszczyzną monitora, zaś podstawniki b będą wystawały przed płaszczyznę monitora. Po prawej stronie schematu znajduje się trans-alken, pomiędzy dwoma atomami węgla znajduje się wiązanie podwójne, atomy węgla łączą się każdy z podstawnikami a oraz b, które znajdują się po tej samej stronie wiązania podwójnego. Innymi słowy, jeżeli płaszczyzna cząsteczki jest prostopadła do płaszczyzny monitora, a wiązanie podwójne znajduje się na monitorze, to podstawnik a i b będą znajdowały się po tej samej stronie, na przykład za płaszczyzną monitora oraz podstawniki b i a przed płaszczyznę monitora.

Bibliografia

Danikiewicz W., Chemia organiczna. Część III, Warszawa 2009.

Kaznowski K., Chemia. Vademecum maturalne, Warszawa 2016.

McMurry J., Chemia organiczna, Warszawa 2000.

McMurry J., Chemia organiczna, Warszawa 2016.

Morrison R. T., Boyd R. N., Chemia organiczna, Warszawa 1985.