III. Реакции окисления и восстановления органических соединений

В органической химии под окислением подразумеваются процессы, приводящие к обогащению молекулы кислородом, либо к обеднению водородом. Естественно, эти процессы сопровождаются переносом электронов от органического субстрата к окислителю. Реакции окисления и восстановления являются многостадийными процессами, механизм которых не однозначен и зависит от строения субстрата, природы окислителя или восстановителя, а также от условий проведения реакций.

Окисление используется для получения карбоновых кислот, альдегидов, кетонов, α-оксидов, хинонов, N-оксидов третичных аминов и ряда других классов органических соединений. Имеется большой набор окислителе различающихся по окислительному потенциалу, специфичности действия. Наиболее часто в качестве окислителей в органической химии используются кислород, озон, перманганат калия, хромовый ангидрид, хромовая смесь, азотная кислота, диоксид свинца, диоксид марганца, тетраацетат свинца, диоксид селена пероксид водорода, хлорид железа (III), надкислоты, диметисульфоксид, производные о- и п-бензохинонов, и другие реагенты.

Одни и те же органические соединения в зависимости от природы окислителя могут превращаться в различные соединения. Так, например, при окислении анилина хлорноватистой кислотой получают п-аминофенол, хромовой кислотой – п-хинон, надкислотами – нитробензол. Различные продукты окисления могут образоваться не только при замене одного окислителя другим, но и в результате изменения условий в которых действует один и тот же окислитель.

Расчет коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях можно составлять, используя методы электронного и электронно-ионного баланса так же, как это делается при составлении окислительно-восстановительных уравнений в неорганической химии. Приведем несколько примеров.

Окончательное уравнение при этом принимает вид:

Окисление алканов. Алканы устойчивы к действию ионных реагентов, но легко вступают в гомолитические реакции. В связи с этим их окисление часто осуществляется действием молекулярного кислорода в присутствии различных инициаторов. Этот процесс носит название «аутоокисление». Молекула кислорода представляет собой бирадикал . Поэтому она может реагировать с некоторыми органическими соединениями по радикальному механизму. Аутоокислением называется радикально-цепная реакция между кислородом и органическими соединениями при низких и умеренных температурах, приводящая к образованию гидроксидов: RH + O₂ RCOOH.

Аутоокислению подвержены алканы, алкены, спирты, альдегиды и простые эфиры. Механизм образования гидропероксидов представлен ниже:

В условиях, в которых происходит цепная реакция аутоокисления гидропероксиды подвергаются дальнейшим превращениям. Направление превращений определяется строением гидропероксидов. При этом конечными продуктами могут оказаться спирты, кетоны, альдегиды, карбоновые кислоты и их эфиры. Примером может служить схема поучения уксусного альдегида из н-бутана:

Гидропероксиды могут являться целевыми продуктами аутоокисления, например, гидропероксид кумола, из которого затем получают фенол и ацетон.

Альдегиды очень легко подвергаются аутоокислению, образуются при этом карбоновые кислоты.

Окисление ускоряется в присутствии перекисей и следов ионов тяжелых металлов, а также под действием освещения. Каталитическое действие ионов тяжелых металлов основывается на образование радикалов из перекисей, например:

Радикал перекиси малоактивен, и поэтому направление его атаки довольно избирательно. Он атакует преимущественно связи С-Н, имеющие высокую реакционную способность (по соседству с ароматическим ядром, в аллильном подложени, третичные, а также связи С-Н находящиеся по соседству с кислородом, такие, как в альдегидах, простых эфирах).

Окисление ароматических углеводородов. Бензольное кольцо, в силу своей особой стабильности, устойчиво к действию большинства окислителей. В жестких условиях в присутствии катализатора оксида ванадия (V) бензол окисляется в малеиновый ангидрид:

Окисление конденсированных ароматических углеводородов приводит к различным продуктам в зависимости от используемого реагента и условий реакции. Окисление нафталина в жестких условиях ведет к образованию фталевого ангидрида.

Реагенты на основе хрома (VI) в кислой среде окисляют нафталин и алкилнафталины до нафтохинонов, тогда как бихромат натрия в водном растворе окисляет только алкильные группы. Окисление нафталина перманганатом калия в щелочной среде сопровождается деструкцией одного ароматического кольца с образованием моноциклических дикарбоновых кислот:

Антрацен гладко окисляется бихроматом натрия в серной кислоте или оксидом хрома (VI) в уксусной кислоте до антрахинона:

Однако, алкильные группы, связанные с кольцом, легко окисляются под действием окислителей, таких как бихромат натрия в кислой среде, оксид хрома (VI) в уксусной кислоте или перманганат калия. При этом, как правило, окисляется боковая цепь, а бензольное кольцо в продукте рекции остается незатронутым. В результате образуются продукты окислительной деструкции боковых цепей - ароматические карбоновые кислоты:

Если в молекуле имеется несколько алкильных групп, все они могут быть подвергнуты окислению:

Для получения ароматических альдегидов окислением акилбензолов, например, при получении п-нитробензальдегида из п-нитротолуола, окисление ведут хромовым ангидридом в смеси с уксусной кислоты и уксусного ангидрида. В этих условиях образуется устойчивый к действию окислителя диацетат п—нитробензальдегида, из которого альдегид выделяют гидролизом:

Тот же результат можно получить, применяя в качестве окислителя хлористый хромил:

При использовании рассмотренных выше методов окисления боковой цепи алкилбензолов надо помнить, что окисляемое соединение не должно содержать в бензольном кольце OH- и NH₂-групп. В противном случае происходит образование хинона, например:

Если все же в соединении, подлежащем окислению, имеются указанные группы, их необходимо предварительно защитить: гидроксильную группу фенола перевести в метиловый эфир, а аминогруппу проацилировать.

Окисление фенолов. Окисление пространственно незатрудненных фенолов относится к числу сложных, многостадийных процессов, механизм которых мало изучен. Сам фенол при окислении двухэлектронным окислителем - бихроматом натрия или MnO₂ в серной кислоте образует с удовлетворительным выходом пара-хинон.

Самый простой и удобный способ получения орто- и пара-бензохинонов состоит в окислении соответственно пирокатехина и гидрохинона. В качестве окислителей можно использовать самые разнообразные реагенты: дихромат натрия, ферроцианид калия, перкислоты, оксид серебра, тетраокись азота и ряд других окислителей.

Аналогично ведут себя и пара-аминофенолы.

Удовлетворительные результаты при получении орто-бензохинона из пирокатехина достигаются в том случае, если в качестве окислителя используется оксид серебра в эфире в присутствии сульфата натрия для связывания выделяющейся при окислении воды.

Хиноны, содержащие электроноакцепторные заместители - 2,3,5,6-тетрахлор-1,4-бензохинон ( хлоранил ) или 2,3,5,6-тетрациано-1,4-бензохинон - служат превосходными окислителями для превращения двух- и трехатомных фенолов в хиноны, например:

Окисление спиртов. При окислении спиртов, в зависимости от используемого метода окисления, можно получать альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты. Первичные спирты окисляются до альдегидов и далее до карбоновых кислот. Вторичные спирты более устойчивы к действию окислителей, при этом они окисляются до кетонов. Как правило, в окислении спиртов до кислот необходимости нет, так как кислоты чаще всего оказываются доступнее спиртов. Поэтому в синтезе основное внимание уделяется превращению спиртов в альдегиды и кетоны.

Наиболее широкое применение для окисления спиртов нашли реагенты на основе переходных металлов - хрома (VI), марганца (VII), марганца (IV). Классическим методом является окисление бихроматом калия или натрия в кислой среде.

По сравнению со спиртами образующиеся альдегиды окисляются значительно легче и один из простых способов их сохранения основан на непрерывном удалении, путем отгонки из окислительной среды более летучих альдегидов.

Условия приведенных выше реакций довольно жесткие, поэтому при их проведении могут медленно окисляться и другие функциональные группы, например: -NH₂, -OCH₂-R,

Ph-CH₂-R, , -C=C- и другие.

Существует более мягкий метод окисления, позволяющий частично устранить эти побочные процессы. Этот метод заключается в использовании реагента Джонса. Для получения реагента Джонса хромовый ангидрид растворяют в водном растворе серной кислоты. В типичном примере CrO₃ и H₂SO₄ берут в мольном отношении 1:1,6. Окисление идет в соответствии с уравнением:

Метод Джонса имеет преимущества по сравнению с другими способами окисления спиртов соединениями хрома (VI). При окислении по Джонсу вторичных спиртов, содержащих двойные и тройные связи углерод-углерод, эти кратные связи не затрагиваются, что иллюстрирует приведенный выше пример.

Для предотвращения окисления альдегидов в карбоновые кислоты в качестве окислителя используют комплексы хромового ангидрида с третичными аминами, которые уменьшают окислительную способность окислителя и делают окисление селективным. Лучшими реагентами для окисления первичных спиртов в альдегиды являются комплекс CrO₃ с двумя молями пиридина (реагент Саррета-Коллинза) и хлорхромат пиридиния (реагент Кори) в хлористом метилене. Оба эти реагента растворимы в CH₂Cl₂ или CHCl₃. Ниже приведены некоторые наиболее типичные примеры окисления первичных спиртов до альгедигов комплексами оксида хрома (VI).

Оба окислителя обеспечивают очень высокие выходы альдегидов, однако хлорхромат пиридиния имеет важное преимущество, так как он не затрагивает двойную и тройную связи и может быть использован для получения ненасыщенных альдегидов.

Бихромат пиридиния, реагенты Саретта и Коллинза применяют также для окисления соединений, молекулы которых содержат группы, чувствительные к кислотам (например, ацетали, кетали, эпоксиды). Для получения α,β-ненасыщенных альдегидов и кетонов окислением замещенных аллиловых и бензиловых спиртов универсальным окислителем является активный оксид марганца (IV) MnO₂. Этот реагент окисляет в петролейном эфире или хлористом метилене ненасыщенные спирты с одной или несколькими двойными или тройными связями без изомеризации и перегруппировки:

В последнее время все большее значение приобретает окисление первичных и вторичных спиртов аллильного типа таким мягким окислителем, как карбонат серебра, Ag₂CO₃. Первичные аллиловые спирты с прекрасными выходами окисляются избытком этого реагента с образованием альдегидов.

 Третичные спирты не окисляются, а в жестких условиях окисление сопровождается деструкцией углеродного скелета.

Эти методы окисления вытеснили старый громоздкий способ окисления вторичных спиртов по Оппенауэру, который заключается в нагревании спирта с алкоголятом алюминия в присутствии карбонильного соединения в качестве акцептора гидрид-ионов. Этот процесс обратим (обратная реакция называется восстановлением по Меервейну-Понндорфу-Верлею). Равновесие можно сместить вправо, если выбрать сильный акцептор гидрид-иона - п-хинон, бензофенон, хлоранил (2,3,5,6-тетрахлор-1,4-бензохинон).

Окисление спиртов по Оппенауэру в теоретическом отношении представляет собой пример окислительного процесса с переносом гидрид-иона от восстановителя к окислителю в одну стадию, в то время, как в выше описанных процессах окисление спиртов осуществляется в несколько стадий с последовательным переносом одного или нескольких электронов.

Для получения альдегидов и кетонов из первичных и вторичных спиртов можно пользоваться реакцией каталитического дегидрирования. Так в промышленности из метанола получают формальдегид, из бутилового спирта - масляный альдегид и из циклогексанола - циклогексанон. В качестве катализатора используется медь, серебро, хромит меди.

Окисление альдегидов и кетонов. Альдегиды легко окисляются до карбоновых кислот. Окисление можно проводить на холоду разбавленным раствором KMnO₄, раствором CrO₃ в H₂SO₄, H₂O₂, Ag₂O и пероксикарбоновыми кислотами.

Классическим реагентом для окисления альдегидов в карбоновые кислоты является оксид серебра, Ag₂O. Оксид серебра легко доступен; при его применении получается очень чистая карбоновая кислота. Альдегиды легко окисляются реагентом Толленса – раствором аммиаката серебра. При этом выпадает осадок металлического серебра в виде зеркального покрытия. Реакцию применяют для идентификации альдегидов.

Во многих случаях для тех же целей используют окисление пероксидом водорода. Так, например, была получена глутаровая кислота из α-гидроксиадипинового альдегида.

С тем же успехом можно использовать надкислоты. Поэтому эпоксидирование непредельных альдегидов нельзя осуществлять действием надкислот.

Альдегиды с успехом окисляются до карбоновых кислот перманганатом калия в кислой среде, для получения хороших выходов при окислении KMnO₄ лучше брать большой избыток окислителя.

Окисление α,β-ненасыщенных альдегидов до соответствующих кислот и их производных может быть проведено только мягкими окислителями, например, компексным ионом – аммиакатом серебра.

Сильные окислители также окисляют двойную связь С=С, что приводит к деструкции молекулы.

Кетоны обычно устойчивы к действию окислителей в тех условиях, в которых окисляются альдегиды. Окисление кетонов протекает в более жестких условиях, так как сопровождается разрывом углерод- углеродных связей. Для этого применяют сильные окислители в ислой и щелочной среде. При этом кетон превращается в енол или енолят-ион, который окисляется с разрывом двойных связей и образованием смеси кислот.

Жирно-ароматические кетоны окисляются с разрывом углеродного скелета, образуя ароматические карбоновые кислоты. В этих же целях в качестве окислителя может быть использован и перманганат калия в кислой или щелочной среде, например:

Практическое значение имеет окисление циклических кетонов, которые дают дикарбоновые кислоты, применяемые в производстве поликонденсационных полимеров. Например, циклогексанон окисляют азотной кислотой в присутствии V₂O₅ и получают адипиновую кислоту – один из компонентов производства найлона – полимера группы полиамидов.

Циклопентанон в этих условиях окисления дает дикарбоновую глутаровую кислоту.

Препаративное значение имеет окисление кетонов надкислотами - реакция Байера-Виллигера. Эта реакция включает первоначальную атаку надкислоты по карбонильной группе кетона с последующей перегруппировкой, ведущей к образованию сложного эфира. Процесс может катализироваться кислотами.

Механизм этой реакции аналогичен механизму окисления альдегидов кислородом, но на второй стадии вместо гидрид-иона мигрирует алкил-анион.

Циклические кетоны в этой реакции образуют циклические сложные эфиры (лактоны).

Симметричны кетоны, образуют в реакции Байера-Виллигера единственный продукт окисления. При окислении несимметричных кетонов легкость миграции алкильной группы снижается в ряду:

H > трет-алкил > втор-алкил >фенил >> винил > н-алкил > циклопропил >> метил.

Метильная группа практически не мигрирует в этой реакции.

Для проведения реакции Байера-Виллигера обычно применяют надуксусную, м-хлорнад- бензойную, пероксималеиновую и трифторнадуксусную кислоты. Последняя дает наиболее однозначные результаты. Окислению могут подвергаться самые различные кетоны. Синтетически важной особенностью реакции Байера-Виллигера является сохранение стереохимической конфигурации мигрирующей группы.

Окисление диоксидом селена используется для превращения альдегидов и кетонов в соответствующие α,β-дикарбонильные соединения. В этой реакции участвует енольная форма карбонильного соединения. Предполагается, что реакция протекает по следующему механизму:

Таким способом циклогексанон может быть окислен до 1,2-циклогександиона:

В случае несимметричных кетонов окисление диоксидом селена идет по менее пространственно затрудненному положению.

В последние годы разработано несколько эффективных способов окисления первичных и вторичных спиртов с помощью диметисульфоксида (ДМСО) или комплексов ДМСО с электрофильными агентами. Тозилаты первичных спиртов, также как и бензилтозилаты, окисляются в альдегиды при нагревании в ДМСО в присутствии

гидрокарбоната натрия как слабого основания.

ДМСО в этой реакции выполняет роль нуклеофильного агента, который замещает тозилоксигруппу по обычному S_N2 механизму с образованием алкоксисульфониевой соли. Катион алкоксисульфониевой соли далее подвергается окислительно-восстановительному элиминированию по механизму, аналогичному для окислительно-восстановительного элиминирования из сложных эфиров хромовой кислоты. Гидрокарбонат-ион является основанием в этой Е2 реакции элиминирования, приводящей к диметилсульфиду и альдегиду.

Реакции восстановления органических соединений. Эти реакции используются для получения спиртов, аминов, для элиминирования кислорода, для уменьшения кратности связей и других случаях.

В качестве восстановителей широко используются щелочные металлы в абсолютном спирте ли аммиаке, олово в кислой среде, железо в нейтральной и кислой среде, цинк, алюминий в кислой и щелочной среде, литийалюминийгидрид (LiAlH₄), боргидрид лития или натрия (LiBH₄, NaBH₄), соли Sn (II), Fe (II), Ti (III), сульфиды и гидросульфиды (Na₂S, KHS), дитионат натрия (тетраоксодисульфат натрия, Na₂S₂O₄), гидразин (H₂N-NH₂) и ряд других соединений. Применяется также и электрохимическое восстановление.

Восстановление альдегидов и кетонов. В водных растворах альдегиды и кетоны восстанавливаются железным порошком и цинковой пылью в спирты:

При восстановлении кетонов в качестве побочных продуктов возможно образование пинаконов.

По методу Буво-Блана в средн абсолютного спирта с использованием в качестве восстановителя металлического натрия спирты могут быть получены не только из альдегидов и кетонов, но также из эфиров карбоновых кислот, в том числе и непредельных:

Алифатические амины могут быть получены восстановлением различных классов азотсодержащих соединений. Так, оксимы превращают в первичные амины действием металлического натрия в абсолютном спирте:

Комплексные гидриды металлов: литийалюминийгидрид (LiAlH₄), боргидриды лития и натрия (LiBH₄, NaBH₄) нашили исключительно широкое применение в органическом синтезе в качестве универсального восстановителя полярных групп. Они особенно легко переносят гидридные ионы на карбонильные группы субстрата.

Таким же путем последовательно вступают в реакцию и все остальные гидридные атомы водорода:

Образовавшийся таким образом комплексный алкоголят лития и алюминия подвергается затем гидролитическому расщеплению:

Если в молекуле субстрата имеются «активные» атомы водорода, то LiAlH₄ реагирует преимущественно с ними, причем выделяется молекулярный водород.

4HX + LiAlH₄ LiAlX₄ + 4H₂

По той же причине при использовании LiAlH₄ необходимо работать в безводной среде (в эфире или тетрагидрофуране). Для восстановления соединений, растворяющихся в полярных растворителях, например, спирте, воде, используется NaBH₄.

Восстановление комплексными гидридами металлов протекает, как правило, в очень мягких условиях и высокими выходами. LiAlH₄ и NaBH₄ восстанавливают альдегиды до первичных спиртов, а кетоны до вторичных.

Алюмогидрид лития при 0-10^о восстанавливает ненасыщенные альдегиды и кетоны до аллиловых спиртов, сохраняя двойную углерод-углеродную связь и восстанавливая карбонильную группу.

При восстановлении карбоновых кислот, их сложных эфиров или хлорангидридов обычно образуются первичные спирты, из амидов и нитрилов - соответствующие амины.

Этот же восстановитель часто применяют для превращения в амины и алифатических нитросоединений:

Особенно удобен в препаративном отношении метод восстановления сложных эфиров алюмогидридом лития. Следует отметить, что боргидрид натрия не восстанавливает сложноэфирную и карбоксильную группы. Это позволяет проводить селективное восстановление карбонильной группы с помощью NaBH₄ в присутствии сложноэфирной и карбоксильной групп. Боргидрид лития в отличие от NaBH₄ восстанавливает сложные эфиры до первичных спиртов.

Восстановление ароматических нитросоединений. Ароматические нитросоединения могут быть восстановлены в соответствующие амины различными восстановителями: металлами (Fe, Sn) и солями металлов в присутствии кислот и в воде, водородом на различных катализаторах (платина, палладий, никель Ренея), гидразингидратом в присутствии никеля Ренея, сульфидами металлов и аммония, цинком в щелочной среде.

4Ar-NO₂ + 9Fe + 4H₂O 4Ar-NH₂ + 3Fe₃O₄

Ar-NO₂ + 3SnCl₂ + 6HCl Ar-NH₂ + 3SnCl₄ + 3H₂O

Во всех реакциях процессе восстановления нитросоединений начинается с переноса электрона от восстановителя к молекуле нитросоединения. Ниже показана последовательность промежуточных продуктов, образующихся при восстановлении железными стружками в нейтральной или слабощелочной среде.

Следует отметить, что в целом глубина протекания процесса восстановления металлами зависит от кислотности среды – в более кислой среде при прочих равных условиях восстановление протекает более глубоко. В нейтральной среде, например, цинком в присутствии хлорида аммония процесс восстановления может быть остановлен на стадии образования фенилгидроксиламина.

Восстановление нитросоединений в щелочной среде дает производные азобензола. При взаимодействии ароматических нитросоединений с оксидом мышьяка (III) в щелочной среде или с метилатом натрия в метанольном растворе образуются азоксисоединения. Восстановление цинком в щелочной среде в растворе этилового спирта приводит к азосоединениям. Следует отметить, что азосоединения могут быть окислены в азоксисоеди-нения действием пероксида водорода и, наоборот, азоксисоединения восстанавливаются в азосоединения трифенилфосфином. Восстановление цинком в водно-спиртовом растворе гидроксида натрия приводит к гидразосоединениям, которые очень легко окисляются кислородом воздуха в азосоединения.

Каждое из этих производных в кислой среде легко восстанавливается до анилина.

Полагают, что названые производные азобензола образуются конденсацией промежуточных продуктов восстановления нитробензола. Так, промежуточно образующееся нитрозосоединение может реагировать с конечным продуктом – амином с образованием азосоединения. Реакция нитрозосоединения с другим интермедиатом – арилгидроксил- амином – приводит к азоксисоединению.

Восстановление азосоединения может происходить в условиях реакции с образованием гидразосоединения. Получить нитрозосоединение восстановлением нитросоединения затруднительно – для этого применяют реакцию окисления гидроксиламинопроизводных солями хрома (VI) в кислой среде. Дитионитом натрия азосоединения восстанавливаются в амины. Важно иметь в виду, что поскольку описанные выше превращения относятся к окислительно–восстановительным процессам, глубина протекания процесса восстановления может и существенным образом зависит от природы заместителя в ароматическом кольце: донорные заместители снижают восстановительный потенциал исходного нитросоединения и промежуточных продуктов, акцепторные – наоборот. Это означает, что в приведенных условиях указанные продукты образуются, главным образом, только в том случае, когда электронные свойства арильной группы близки к таковым для фенильной группы. В противном случае в тех же условиях можно ожидать образования и иных продуктов. В качестве примера такого влияния заместителя можно привести реакцию восстановления мета-динитробензола в мета-нитроанилин действием гидросульфида натрия.

Реакция завершается восстановлением только одной нитрогруппы независимо от избытка восстановителя по той причине, что переход от акцепторной нитрогруппы как заместителя, снижающего восстановительный потенциал к донорной аминогруппе – повышающий потенциал восстановления полностью исключает восстановление второй нитрогруппы в этих условиях.