Какие продукты образуются при окислении первичных спиртов
Принципиальной проблемой, которая возникает при окислении спиртов до альдегидов, является то, что альдегиды очень легко подвергаются дальнейшему окислению по сравнению с исходными спиртами. По сути альдегиды являются активными органическими восстановителями. Так, при окислении первичных спиртов бихроматом натрия в серной кислоте (смесь Бекмана), альдегид, который образуется, необходимо защитить от дальнейшего окисления до карбоновой кислоты. Можно, например, удалять альдегид из реакционной смеси. И это широко применяется, так как температура кипения альдегида как правило ниже, чем температура кипения исходного спирта. Таким путем могут быть получены, в первую очередь, низкокипящие альдегиды, например, уксусный, пропионовый, изомасляный:
Рисунок 1.
Лучшие результаты можно получить, если вместо серной кислоты использовать ледяную уксусную кислоту.
Для получения высококипящих альдегидов из соответствующих первичных спиртов в качестве окислителя используют трет-бутиловый эфир хроматной кислоты:
Готовые работы на аналогичную тему
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Рисунок 2.
При окислении трет-бутилхроматом ненасыщенных спиртов (в апротонных неполярных растворителях) кратные связи не занимаются, и ненасыщенные альдегиды образуются с высокими выходами.
Достаточно селективным является метод окисления, в котором используют диоксид марганца в органическом растворителе, пентан или хлористый метилен. Например, алил- и бензил- спирты таким образом можно окислять в соответствующие альдегиды. Выходные спирты мало растворимые в неполярных растворителях, а альдегиды, которые образуются в результате окисления, значительно лучше растворимые в пентан или хлористый метилен. Поэтому карбонильные соединения переходят в слой растворителя и таким образом можно предотвратить контакт с окислителем и дальнейшем окислению:
Рисунок 3.
Проводить окисление вторичных спиртов в кетоны значительно проще, чем первичных спиртов в альдегиды. Выходы здесь выше, так как, во-первых, реакционная способность вторичных спиртов выше, чем первичных, а, во-вторых, кетоны, которые образуются значительно более стойки к действию окислителей чем альдегиды.
Окислители для окисления спиртов
Для окисления спиртов в качестве окислителей наиболее широкое применение нашли реагенты на основе переходных металлов — производные шестивалентного хрома, четырех и семи валентного марганца.
Для селективного окисления первичных спиртов до альдегидов в настоящее время лучшими реагентами считается комплекс $CrO_3$ с пиридином — $CrO_{3^.} 2C_5H_5N$ (реагент Саррета-Коллинза), также широко применяется реагент Кори — хлорхромат пиридиния $CrO_3Cl^-C_5H_5N^+H$ в хлористом метилене. Комплекс $CrO_{3^.} 2C_5H_5N$ красного цвета получается при медленном взаимодействии $CrO_{3^.}$ с пиридином при 10-15 $^circ$С. Оранжевый хлорхромат пиридиния получают при добавлении пиридина к раствору оксида хрома (IV) в 20%-й соляной кислоте. Оба этих реагента растворимы в $CH_2Cl_2$ или $CHCl_3$:
Рисунок 4.
Эти реагенты обеспечивают очень высокие выходы альдегидов, однако хлорхромат пиридиния имеет важное преимущество в том отношении, что этот реагент не затрагивает двойную или тройную связи в исходных спиртах и поэтому особенно эффективен для получения ненасыщенных альдегидов.
Для получения $α¸β$-ненасыщенных альдегидов окислением замещенных аллильных спиртов универсальным окислителем является оксид марганца (IV) $MnO_2$
Примеры реакций спиртов с этими окислителями приведены ниже:
Рисунок 5.
Рисунок 6.
Рисунок 7.
Рисунок 8.
Каталитическое дегидрирование спиртов
Собственно говоря, окисление спиртов до карбонильных соединений сводится к отщеплению водорода от молекулы исходного спирта. Такое отщепление можно осуществить не только с помощью рассмотренных ранее методов окисления, а и используя каталитическое дегидрирование. Каталитическое дегидрирование — процесс отщепления водорода от спиртов в присутствии катализатора (медь, серебро, оксид цинка, смесь оксидов хрома и меди) как с участием кислорода, так и без него. Реакция дегидрирования в присутствии кислорода называется реакцией окислительного дегидрирования.
В качестве катализаторов чаще всего используют тонкодисперсные медь и серебро, а также оксид цинка. Каталитическое дегидрирование спиртов особенно удобно использовать для синтеза альдегидов, которые очень легко окисляются до кислот.
Вышеупомянутые катализаторы наносят в высокодисперсном состоянии на инертные носители, с развитой поверхностью, например, асбест, пемза. Равновесие реакции каталитического дегидрирования устанавливается при температуре 300-400 $^circ$С. Чтобы предотвратить дальнейшее преобразование продуктов дегидрирования, реакционные газы необходимо быстро охлаждать. Дегидрирования очень эндотермических реакцией ($triangle H$ = 70-86 кДж / моль). Водород, образующийся можно сжигать, если добавлять в реакционную смесь воздуха, тогда суммарная реакция будет сильно экзотермической ($triangle H$ = -(160-180) кДж / моль). Такой процесс называется окислительное дегидрирование или аутотермичное дегидрирования. Хотя дегидрирование используется главным образом в промышленности, этот метод можно применять также и в лаборатории для препаративного синтеза.
Дегидрирование насыщения спиртов алифатического ряда происходит с хорошими выходами:
Рисунок 9.
В случае высококипящих спиртов реакцию проводят при пониженном давлении. Ненасыщенные спирты в условиях дегидрирования превращаются в соответствующие насыщенные карбонильные соединения. Гидрирование кратной $C = C$ связи происходит водородом, который образуется в процессе реакции. Чтобы предотвратить эту побочную реакцию и иметь возможность получать каталитическим дегидрированием ненасыщенные карбонильные соединения, процесс проводят в вакууме при 5-20 мм рт. ст. в присутствии паров воды. Такой метод позволяет получать целый ряд ненасыщенных карбонильных соединений:
Рисунок 10.
Применение дегидрирования спиртов
Дегидрирования спиртов является важным промышленным методом синтеза альдегидов и кетонов, например формальдегида, ацетальдегида, ацетона. Эти продуты в больших объемах добывают как дегидрированием, так и окислительным дегидрированием на медном или серебряном катализаторе:
дегидроциклизацией бутан-1,4-диола на медном катализаторе при 250 $^circ$С с высокими выходами получают $γ$-бутиролактон:
Рисунок 11.
глиоксаль синтезируют в промышленности в условиях каталитического окислительного дегидрирования этиленгликоля при 300 $^circ$ С:
Рисунок 12.
полиолы более сложного строения, например, пентаэритрит, сахара в условиях каталитического дегидрирования.
Окисление спиртов и фенолов
Для окисления гидроксисоединений используются соединения марганца(IV), марганца(VII), хрома(VI), оксиды металлов (Cu, Zn, Ag) и др.
Легкость окисления одноатомных спиртов уменьшается в ряду:
CH3OHМетанол CH3OH – сильный яд. Его высокая токсичность обусловлена лёгкой окисляемостью с образованием ядовитых продуктов (попадание в организм 5-10 г метанола приводит к слепоте, а 25-30 г – к смерти). > первичные ≥ вторичные >> третичные.
Первичные спирты при окислении образуют альдегиды, которые затем легко окисляются до карбоновых кислот. В реакции участвует ближайшая к гидроксильной группе связь С–Н, по которой происходит внедрение атома кислорода. От образовавшегося при этом неустойчивого алкандиола-1,1Алкандиолы-1,1 – двухатомные спирты с ОН-группами при одном и том же атоме углерода R–CH(OH)2 и R2C(OH)2. Неустой-чивые соединения. Подобно угольной кислоте (O=C(OH)2 → CO2 + H2O) они легко отщепляют воду и превращаются в альдегиды R–CH=O или кетоны R2C=O. отщепляется вода с разрывом связей О–Н и С–ОH.
Окисления альдегида в карбоновую кислоту можно избежать, удаляя его из реакционной смеси путем отгонки
(альдегид кипит при более низкой температуре, так как его молекулы не ассоциированы за счет водородных связей).
При окислении вторичных спиртов получают кетоны.
Промышленное значение имеет реакция окисления вторичного алициклического спирта циклогексанола до кетона циклогексанона:
Это одна из стадий в многостадийном синтезе ε-капролактама, из которого получают поликапролактам (капрон).
Окисление первичных и вторичных спиртов происходит также в результате реакции дегидрирования (отщепления водорода) при пропускании паров спирта над нагретым катализатором (Cu, соединения Ag, Cr, или Zn). В этих условиях процесс идёт как внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция.
Данный метод позволяет превращать первичные спирты в альдегиды без их дальнейшего окисления до кислот.
Третичные спирты более устойчивы к действию окислителей. Если первичные и вторичные спирты окисляются в кислой, нейтральной и щелочной средах, то третичные спирты реагируют лишь в жестких условиях – кислая среда, повышенная температура. Это приводит к разрушению углеродного скелета молекулы и образованию смеси продуктов – карбоновых кислот и кетонов с меньшим числом углеродных атомов.
- Процесс идет через стадию дегидратации спирта с последующим деструктивным (жестким) окислением алкена. Например:
- Устойчивость третичных спиртов при окислении позволяет отличить их от первичных и вторичных спиртов по реакции с разбавленным щелочным раствором перманганата калия.
Многоатомные спирты при окислении образуют различные вещества, поскольку в реакцию могут вступать одна или несколько гидроксильных групп. Состав продуктов окисления зависит от взаимного положения ОН-групп в молекулах полигидроксильного соединения и природы окислителя.
Соединения с ОН-группами у соседних атомов углерода (1,2-диолы, 1,2,3-триолы и т.п.) окисляются наиболее легко. В зависимости от условий их окисление происходит с сохранением
C–C-связей
углеродного скелета (пример 1) или с их разрывом (пример 2) вплоть до полного разрушения С-скелета (пример 3).
Пример 1. Окисление этиленгликоля при действии CrO3 или HNO3
Пример 2. Окисление раствором перманганата калия в кислой среде при нагревании
Кетон R2C=O образуется из фрагмента, содержащего третичную спиртовую группу, а карбоновая кислота R’COOH – из фрагмента с вторичной группой ОН.
При наличии фрагмента с первично-спиртовой группой –CH2OH образуется CO2:
Пример 3. Взаимодействие глицерина с кристаллическим перманганатом калия (видео)
Реакция глицерина HOCH2–CH(OH)–CH2OH с тонко измельчённым кристаллическим KMnO4 начинается самопроизвольно и идёт с высокой скоростью при выделении большого количества тепла. При этом глицерин окисляется полностью до углекислого газа и воды:
2С3Н8О3 + 7О2 → 6СО2 + 8Н2О + Q
Характерной реакцией многоатомных спиртов с соседними ОН-группами является окисление водным раствором иодной кислоты HIO4, которая не окисляет одноатомные спирты и многоатомные спирты других типов. Подробнее…
Реакция протекает через стадию образования циклического сложного эфира иодной кислоты (иодата), который расщепляется далее по связи С–С с выделением иодноватой кислоты:
В отличие от деструктивного окисления перманганатом калия, продуктами реакции с иодной кислотой являются альдегиды и (или) кетоны.
В случае трёх соседних C–ОН-групп средняя группа окисляется до муравьиной кислоты НСООН:
Данная реакция, называемая гликольным расщеплением, используется для установления числа и положения ОН-групп в полигидроксильных соединениях (главным образом, в углеводах) путём определения количества израсходованного окислителя и анализа продуктов окисления.
Кроме иодной кислоты для гликольного расщепления применяют также тетраацетат свинца (CH3COO)4Pb в органическом растворителе.
Фенолы окисляются легче спиртов. Эти реакции протекают многоступенчато с образованием довольно сложной смеси продуктов. Многие из фенолов, являясь бесцветными веществами, при стоянии на воздухе приобретают окраску за счёт примеси продуктов окисления.
Действие на фенол сильных окислителей (CrО3, хромовая смесь) приводит к образованию пара-бензохинона (наряду с другими продуктами окисления). Реакция идёт с отщеплением наиболее подвижного атома водорода в пара-положении бензольного кольца.
Значительно легче окисляются многоатомные фенолы.
Поэтому они являются более сильными восстановителями, чем одноатомные фенолы. Например, двухатомный фенол гидрохинон применяется как антиоксидант и ингибитор радикальной полимеризации, а также как проявитель в классической фотографии:
Наиболее сильными восстановителями являются трёхатомные фенолы, легко окисляющиеся даже кислородом воздуха. На этом основано применение в газовом анализе щелочного раствора пирогаллола
, количественно поглощающего кислород.
Предельное окисление гидроксисоединений до CO2 и Н2О происходит при их горении, например:
2CH3OH + 3O2 2CO2 + 4H2O
Полное окисление метанола идет схеме:
При сгорании спиртов выделяется большое количество тепла.
C2H5OH + 3O2 2CO2 + 3H2O + 1370 кДж
Благодаря высокой экзотермичности реакции горения этанола, он считается перспективным и экологически чистым заменителем бензинового топлива в двигателях внутреннего сгорания. В лабораторной практике этанол применяется как горючее для «спиртовок».
- Видеоопыт «Взаимодействие глицерина с кристаллическим перманганатом калия».
Окисление первичных спиртов в альдегиды и вторичных спиртов в кетоны является одним из важнейших превращений функциональных групп и оценкой избирательного действия окислительного агента:
Рисунок 1.
Третичные спирты в обычных условиях не окисляются, а в очень жестких условиях их окисление сопровождается деструкцией углеродного скелета.
Окисление первичных спиртов до карбоновых кислот
Окисление первичных спиртов в соответствующие карбоновые кислоты легко осуществить действием большинства известных окислителей. Так, концентрированная азотная кислота быстро превращает спирты в соответствующие карбоновые кислоты. Этот метод можно применить ко всем первичным спиртам, при условии, что они не содержат групп, чувствительных к действию азотной кислоты:
Рисунок 2.
Карбоновые кислоты также образуются при окислении первичных спиртов щелочным раствором перманганата калия. Надо отметить, что в этих условиях не разрушаются группы, чувствительные к кислой среде. Это обстоятельство может быть использована для окисления первичных спиртовых групп в присутствии альдегидных. Для этого из альдегидоспиртов получают ацетали, затем окисляют первичную спиртовую группу в карбоксильную и кислотным гидролизом снимают защиту, освобождая альдегидную группу. Например, таким путем можно превратить гликолевый альдегид в глиоксиловую кислоту:
Готовые работы на аналогичную тему
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Рисунок 3.
Окисления щелочным раствором перманганата калия ароматических первичных спиртов является удобным методом синтеза ароматических кислот:
Рисунок 4.
Окисление спиртов до карбонильных соединений
Для окисления первичных и вторичных спиртов в соответствующие альдегиды или кетоны используют смесь бихромата с серной кислотой, хромовый ангидрид, перманганат калия, диоксид марганца, а также каталитическое дегидрирование.
Третичные спирты стойки к действию окислителей. В жестких условиях они окисляются с разрывом связи $C-C$ в $beta$-положении к гидроксильной группы и образованием смеси альдегидов (кислот) и кетонов:
Рисунок 5.
Получение альдегидов
Принципиальной проблемой, которая возникает при окислении спиртов до альдегидов, является то, что альдегиды очень легко подвергаются дальнейшему окислению по сравнению с исходными спиртами. По сути альдегиды являются активными органическими восстановителями. Так, при окислении первичных спиртов бихроматом натрия в серной кислоте (смесь Бекмана), альдегид, который образуется, необходимо защитить от дальнейшего окисления до карбоновой кислоты. Можно, например, удалять альдегид из реакционной смеси. И это широко применяется, так как температура кипения альдегида как правило ниже, чем температура кипения исходного спирта. Таким путем могут быть получении, в первую очередь, низкокипящие альдегиды, например, уксусный, пропионовый, изомасляный:
Рисунок 6.
Лучшие результаты можно получить, если вместо серной кислоты использовать ледяную уксусную кислоту.
Для получения высококипящих альдегидов из соответствующих первичных спиртов в качестве окислителя используют трет-бутиловый эфир хроматных кислоты:
Рисунок 7.
При окислении трет-бутилхроматом ненасыщенных спиртов (в апротонных неполярных растворителях) кратные связи не занимаются, и ненасыщенные альдегиды образуются с высокими выходами.
Достаточно селективным является метод окисления, в котором используют диоксид марганца в органическом растворителе, пентан или хлористый метилен. Например, алил- и бензил- спирты таким образом можно окислять в соответствующие альдегиды. Выходные спирты мало растворимые в неполярных растворителях, а альдегиды, которые образуются в результате окисления, значительно лучше растворимые в пентан или хлористый метилен. Поэтому карбонильные соединения переходят в слой растворителя и таким образом можно предотвратить контакт с окислителем и дальнейшем окислению:
Рисунок 8.
Проводить окисление вторичных спиртов в кетоны значительно проще, чем первичных спиртов в альдегиды. Выходы здесь выше, так как, во-первых, реакционная способность вторичных спиртов выше, чем первичных, а во-вторых, кетоны, которые образуются значительно более стойки к действию окислителей чем альдегиды.
Получение кетонов
Общим методом является окисление оксидом хрома ($VI$) в воде или разведенной уксусной кислоте. Хромовый ангидрид в ацетоне и дихроматы пиридиния можно использовать для окисления ненасыщенных вторичных спиртов, не нарушая двойных и тройных связей:
Рисунок 9.
Вторичные спирты сложного строения, содержащие чувствительные к действию окислителей группы, можно с хорошими выходами окиснюваты в соответствующие кетонов, используя метод Оппенауера. В системе, содержащей вторичный спирт и кетоны (как правило ацетон) в присутствии алкоголятов алюминия устанавливается равновесие:
Рисунок 10.
Если в систему ввести большой избыток ацетона, то происходит смещение равновесия в сторону образования кетонов из вторичного спирта, то есть происходит окисление спирта. После установления равновесия реакционную смесь обрабатывают 30% -ной серной кислотой, отгоняют избыток ацетона и изопропилового спирта, и отделяют продукт окисления — кетон. Роль алкоголята алюминия сводится к образованию комплекса с ацетоном, то есть он действует как кислота Льюиса, увеличивая частичный положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы. Благодаря этому в реакционной комплексе, который содержит спирт, легче происходит гидридный переход от атома углерода, связанного с гидроксильной группой, что приводит к превращению исходного спирта в кетоны:
Рисунок 11.