Hüdratatsioon

Hüdratatsioon on keemilise ühendi füüsikaline või keemiline liitumine (hüdraatumine) või liitmine (hüdraatimine) veega.

Näide hüdratatsioonist: naatriumiiooni interaktsioon veemolekulidega

Lahustumisel vees seostuvad elektrolüüdid polaarsete vee molekulidega ehk hüdraatuvad. Hüdraatumisel keemilised sidemed elektrolüüdis nõrgenevad, mistõttu aine võib jaguneda ioonideks.

Näiteks etüleeni katalüütiline hüdraatimine:

CH₂ = CH₂ + H₂O → CH₃–CH₂OH

Hüdratsioon on veemolekulide liitumine molekulide või ioonidega. Hüdratsioon on solvatatsiooni erijuht – orgaanilise lahusti molekulide kinnitumine ainete molekulide või ioonide külge. Vastupidi hüdrolüüsile ei kaasne hüdratatsiooniga vesinik- või hüdroksüüliioonide moodustumine. Vesilahustes põhjustab hüdratsioon vee ja lahustunud aine stabiilseid ja ebastabiilseid ühendeid (hüdraadid); orgaanilistes lahustites tekivad hüdraatidega sarnased solvaadid. Hüdratsioon põhjustab ioonide stabiilsust lahustes ja takistab nende assotsieerumist.

Hüdratsioon on elektrolüütilise dissotsiatsiooni liikumapanev jõud – vastassuunaliselt laetud ioonide eraldamiseks vajalik energiaallikas.

Orgaaniline keemia

Kõik küllastumata orgaanilised ühendid on hüdratsioonile vastuvõtlikud.

Epoksiidid kuni glükoolini

Aastas toodetakse mitu miljonit tonni etüleenglükooli oksiraani (tsükliline ühend, mida tuntakse ka etüleenoksiidina) hüdraatimisel:

C₂H₄O + H₂O → HO–CH₂CH₂–OH

Tavaliselt kasutatakse happekatalüsaatoreid.

Alkeenid

Alkeenide hüdreerumise üldine keemiline võrrand on järgmine:

RRC=CH₂ + H₂O → RRC(OH)-CH₃

Hüdroksüülrühm (OH-) liitub kahekordse sideme ühe süsiniku külge ja prooton (H+) liitub teise süsiniku külge. See reaktsioon on väga eksotermiline. Esimesel etapil toimib alkeen nukleofiilina ja ründab Markovnikovi reegli kohaselt prootoni. Teises etapis seondub H ₂O molekul teise, tugevamalt asendatud süsinikuga. Hapniku aatomil on sel hetkel kolm sidet ja see kannab positiivset laengut (st molekul on oksoonium). Teine veemolekul lisandub ja võtab täiendava prootoni. See reaktsioon kipub andma palju ebasoovitavaid kõrvalsaadusi (näiteks dietüüleeter etanooli valmistamisel) ja siin kirjeldatud lihtsal kujul ei peeta seda alkoholi valmistamisel väga kasulikuks.

Kasutatakse kahte lähenemisviisi. Traditsiooniliselt töödeldakse alkeeni väävelhappega, et saada alküülsulfaatestreid. Etanooli tootmise puhul võib seda sammu kirjutada:

H₂SO₄ + C₂H₄ → C₂H₅-O-SO₃H

Seejärel hüdrolüüsitakse see sulfaatester, et regenereerida väävelhapet ja eraldada etanooli:

C₂H₅-O-SO₃H + H₂O → H₂SO₄ + C₂H₅OH

Seda kaheastmelist protsessi nimetatakse "kaudseks protsessiks".

"Otsese protsessi" puhul protoneerib hape alkeeni ja vesi reageerib selle tekkiva karbokatiooniga, et saada alkoholi. Otsene protsess on populaarsem, sest see on lihtsam. Hapete katalüsaatorite hulka kuuluvad fosforhape ja mitmed tahked happed.

Siin on toodud näide 1-metüültsüklohekseeni hüdreerimisreaktsioonist 1-metüültsükloheksaanoliks:

Alküünid

Atsetüleen hüdraatub, moodustades atseetaldehüüdi: see protsess põhineb tavaliselt elavhõbedakatalüsaatoritel ja on läänes lõpetatud, kuid Hiinas kasutatakse seda endiselt. Hg²⁺ molekuli tuum seondub C≡C-sidemega, millega seejärel vesi reageerib.

Reaktsioon on

H₂O + C₂H₂ → CH₃CHO

Nitriilid

Nitriilid on vastuvõtlikud hüdratsioonile amiidideks: RCN + H₂O → RC(O)NH_2. See reaktsioon nõuab katalüsaatorit. Ensüüme kasutatakse akrüülamiidi kaubanduslikuks tootmiseks akrüülnitriilist.

Anorgaaniline ja materjalikeemia

Hüdratsioon on oluline protsess paljudes muudes rakendustes; üks näide on portlandtsemendi tootmine kaltsiumoksiidide ja silikaatide ristseostumise teel, mida vesi kutsub esile.

Vaata ka

• Ioonide hüdraatumine
• Dehüdraatimine
• Solvatatsioon
• Hüdrogeenimine
• Dehüdrogeenimine

Kirjandus

• Falbe, Jürgen; Bahrmann, Helmut; Lipps, Wolfgang; Mayer, Dieter. "Alcohols, Aliphatic". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry.
• Siegfried Rebsdat; Dieter Mayer. "Ethylene Glycol". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH.
• Marc Eckert, Gerald Fleischmann, Reinhard Jira, Hermann M. Bolt, Klaus Golka "Acetaldehyde" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2006, Wiley-VCH, Weinheim.